永磁流变抛光纳米精度非球面技术研究

利用永磁流变抛光技术制造高精度光学元件是一项极具前景的超精密制造技术。对一台五轴联动磁流变数控抛光系统的结构特点、功能特色及关键部件的设计进行了阐述。在此基础上,结合装置开展基础试验,对磁流变抛光过程中的主要控制参量如抛光轮下压量、抛光轮速度等对材料去除特性的影响进行了研究。开展了磁流变抛光对提高工件(K9玻璃)表面粗糙度效果的抛光试验,结果证明该套系统具有良好的磁流变抛光特性,抛光23min后工件表面粗糙度降低到0 6739nm。     

抛光对光纤连接器回波损耗的影响

分别选用氧化铝和氧化硅材料的抛光砂纸,在施加不同抛光压力、抛光时间,以及抛光助剂等工艺条件下,实验研究了抛光对连接器回波损耗的影响规律。通过实验发现:氧化铝砂纸干式抛光使光纤连接器的回波损耗仅保持在32～38dB之间;氧化硅砂纸干式抛光会造成光纤端面污损,使得连接器的回波损耗降低到20dB以下;氧化铝与氧化硅砂纸湿式抛光均可使光纤连接器的回波损耗提高到45～50dB,但氧化铝砂纸湿式抛光会造成80nm以上的光纤凹陷。因此,制作高回波损耗的光纤连接器应优先选用氧化硅砂纸湿式抛光工艺,抛光时间应控制在20～30s。     

离子束作用下KDP晶体表面粗糙度研究

为了避免传统加工过程对KDP( Potassium dihydrogen phosphate)晶体表面产生损伤、嵌入杂质等降低晶体抗激光损伤阈值的不利因素,文章探索采用离子束抛光技术实现KDP晶体的加工.本文主要分析了离子束抛光作用下KDP晶体表面粗糙度的演变过程,采用垂直入射和倾斜45°入射两种方式研究KDP晶体表面粗糙度,利用倾斜45°入射的加工方式提高了KDP晶体的表面质量,其表面均方根粗糙度值由初始的3.07 nm减小到了1.95 nm,实验结果验证了离子束抛光加工KDP晶体的可行性.     

光学元件磨削加工亚表面损伤检测研究

基于氢氟酸刻蚀对光学元件亚表面裂纹影响的刻蚀模型,将化学刻蚀、逐层抛光技术和激光共聚焦扫描技术相结合,提出了一种磨削加工光学元件亚表面损伤的检测方法.实验证实该方法得到的亚表面损伤深度与公认的亚表面损伤预测模型的预测结果吻合性较好,是一种可靠的亚表面深度检测方法.     

极坐标系统下进行直角坐标扫描的离子束抛光

在离子束抛光设备研制过程中,离子源扫描运动方式的选择是很关键的,一般分为直角坐标方式扫描和极坐标方式扫描两种。根据两种扫描方式的特点,在极坐标系统下进行直角坐标扫描方式加工。该种方法采用直角坐标扫描方式下的驻留时间计算,算法相对简单。该种方法在极坐标系统下进行加工,同等情况下可加工圆形镜面的口径比直角坐标系统下更大些;而且离子源的可移动区域是一条直线,其余地方可以摆放其他设备,空间利用率较高。对这种新思路进行仿真分析,证实了其具有可行性。     

基于表面增强拉曼光谱技术的金表面耐腐蚀性分析

金属表面耐腐蚀性能与其微观结构密切相关。以金为分析对象,采用不同粒径氧化铝抛光粉抛光处理金片表面,经扫描电镜和原子力显微镜观察,表明金片表面具备与实际工件类似的微观结构,在此基础上,研究金片表面微观划痕结构对表面增强拉曼散射(SERS)以及耐腐蚀性能的影响。以罗丹明B为探针分子,对不同特征尺寸的微观划痕进行SERS分析,获得了罗丹明B的SERS信号强度随划痕平均特征尺寸的变化规律。通过改变拉曼激发光偏振方向与划痕方向的夹角大小,发现SERS信号主要归因于激发光与划痕相互作用产生的横向表面等离激元。划痕平均特征尺寸在50 nm附近时,横向表面等离激元最强,之后随着划痕平均特征尺寸增加,横向表面等离激元逐渐变弱。另一方面,对具有不同特征尺寸微观划痕的金片进行电化学极化测试,获得了各样品的自腐蚀电位,发现金片的自腐蚀电位随着划痕平均特征尺寸增大而降低。结果表明,当划痕平均特征尺寸大于50 nm,金表面的SERS信号与自腐蚀电位间存在良好的线性对应关系,这为SERS技术用于工件耐蚀性分析提供了依据。通过在工件表面滴涂探针分子并使用便携式拉曼光谱仪测量有望可以对工件耐蚀性进行现场快速预判。     

熔融石英玻璃无水环境固结磨粒抛光特性

为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题,提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺,并应用于熔融石英玻璃抛光加工,通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析,从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理;从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明:加工过程中,在法向力和剪切力作用下,CeO₂磨粒和熔融石英发生化学反应,CeO₂将SiO₂带出玻璃,实现材料去除;同时,压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式,温升和排屑成为决定去除效率的关键。     

大口径光学元件磁流变加工驻留时间求解算法

为了解决大口径光学元件磁流变高精度加工问题,基于矩阵运算模型,提出了SBB(Subspace Barzilai and Borwein)最小非负二乘与自适应Tikhonov正则化相结合的驻留时间快速求解方法。同时,在一次收敛中采用双去除函数优化螺旋线轨迹下光学元件的加工,保证中心区域与全口径面形精度一致。仿真表明该算法与常用Lawson-Hanson最小非负二乘法相比,计算精度一致且求解效率大幅提高。对Φ600mm以彗差为主的光学表面模拟加工,峰谷(PV)值和均方根(RMS)值从初始的2.712λ与0.461λ中心区域全局一致收敛到0.306λ和0.0199λ(λ=632.8nm)。因此,提出的算法能够在有效保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,为磁流变抛光应用于大口径光学元件提供有力支持。     

板条Nd:YAG晶体的合成盘抛光技术

针对高功率板条激光器核心工作器件——板条Nd:YAG晶体的超精密加工开展研究,分析了具有特殊构型的板条Nd:YAG晶体元件的加工性能及工艺难点,提出了一种新的基于合成盘抛光的板条Nd:YAG晶体加工工艺,并对规格为100mm×30mm×3mm的板条Nd:YAG晶体进行了加工实验。实验结果表明,合成盘抛光可以很好地控制元件的塌边现象;通过磨料的优化选择,在合成盘抛光工艺中匹配合适粒度的Al2O3磨料能够实现元件的低缺陷加工,元件下盘后的全反射面平面度达0.217λ(1λ=632.8nm),端面平面度达到0.06λ,表面粗糙度达0.55nm(RMS),端面楔角精度可达2″。     

光学面形的轮带光学抛光方法研究

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题,轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一;提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性,采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验,经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差(RMS)由初始的0109 λ提高到0028 λ,平均每次收敛率达到13。实验结果表明,应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形,面形收敛速度较快,加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力,为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。