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″。     

基于Marangoni界面效应的数控化学抛光去除函数的研究

 利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究，提出采用湿法化学抛光（刻蚀）方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验，运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测，结果表明，粗糙度基本无变化，刻蚀前后粗糙度分别为0.72 nm和0.71 nm。基于Preston假设， 建立了数控化学抛光理论模型，运用WYKO干涉仪观察实验现象可知，化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线，小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线。     

磁流变加工的连续相位板波前及光强特性

对采用磁流变抛光(MRF)工艺加工的大口径连续相位板(CPP)的波前及其光强控制特性进行了分析,对由不同的加工参数(走刀间距和走刀偏置)所加工的三组CPP进行了比较,并分析了MRF加工所引入的中频误差对CPP波前和光强特性的影响。结果表明,走刀间距为2mm、对应走刀偏置范围为0.1~0.3mm时所加工CPP的波前及其光强控制能力较差,远场有一定程度的旁瓣产生;走刀间距为2mm、偏置范围为0.4~0.5mm时所加工CPP和走刀间距为1mm、偏置范围为0.1~0.3mm时所加工CPP相比较,迭代加工效率提高,CPP波前中频误差得到一定的改善。进一步分析表明MRF所引入的中频误差对CPP波前梯度及旁瓣影响较大。     

光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除

 针对强激光光学元件的应用要求，对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析，并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应，提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高精度加工，对亚表面缺陷具有很好的克服和消除作用。通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析，同时实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在，对材料的定量去除进行了实验，提出了亚表面缺陷的去除方法。     

用于光束匀滑的连续相位板近场均匀性

 为降低高功率激光系统中连续相位板(CPP)后续元件的强激光损伤风险,综合考虑入射光强调制、干涉及衍射作用等多种影响因素,建立了CPP近场计算分析模型,模拟和分析了这些因素对CPP后的近场均匀性的影响。理论分析结果表明：CPP后的光束近场均匀性主要受入射光调制、CPP表面剩余反射率和衍射传输距离的影响;当入射光束质量较差时,CPP后的近场均匀性主要由入射光束质量决定,CPP剩余反射率和衍射传输距离对近场均匀性影响相对较小;但当光束质量比较理想时,干涉和衍射作用会破坏CPP的近场均匀性,衍射传输距离影响尤为突出。     

大口径非球面元件磁流变加工稳定性研究

重点分析了非球面元件磁流变加工的动态稳定性影响因素。设计了非球面元件的自动装调定位系统,提高了装调精度。采用一种拟合光栅式加工的新方法来验证其效果,通过测量元件表面形成的直线沟壑深度、宽度波动比例来评价去除的动态稳定性。在400 mm×400 mm口径的方形非球面元件上进行面形收敛验证实验,波长λ为632.8 nm时,加工后的透射波前误差PV值达到0.331λ,低频透射波前梯度误差GRMS值达到了0.008λ/cm。     

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对抛光结果的影响规律,以期提高元件的面形精度和表面的质量,在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上,结合实验室的PKC100-P1型抛光设备,对上述的关键工艺参数分别进行了研究,设置了一系列的实验参数,进行了详细的实验探索,分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数的内在联系,得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明:工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律,掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果,为高精度光学表面的加工提供可靠的保障,同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。     

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明:磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。1     

小工具数控抛光对元件表面中频误差的匀滑研究

数控抛光已被广泛应用于光学元器件的加工制造,而抑制元件表面中频误差是加工过程中一项十分重要的内容。基于Presston方程对数控小工具抛光盘去除函数进行了建模,得到了理论化的去除函数表达式。结合去除函数,在参数化匀滑模型基础上通过建立多参数的时变理论模型,表明元件表面中频误差是随抛光过程呈指数型收敛的,其收敛效率取决于材料参数、体积去除率等抛光工艺参数。对理论模型的匀滑曲线进行了模拟分析,实现了不同工艺条件下的匀滑效率的对比。结果表明:在不同抛光盘材料的匀滑过程中,材料系数越大,其整体匀滑效率越高。同样,抛光盘体积去除率越大,对表面误差的匀滑效率也会越高。进行了一组空间周期分别为3,5,7 mm的波纹误差的匀滑实验,其结果表明,在相同的抛光参数下,具有较大空间频率的波纹匀滑效率会更高,收敛曲线下降得更快。最后对比了不同材料抛光盘匀滑效率,从实验上证实了沥青盘在波纹匀滑效率上远高于聚氨酯材料的抛光盘。