纳米级光学超精密加工技术

纳米级光学超精密加工是软X射线光学和光电子学元件制备的重要基础技术之一。本文概述这一技术研究的主要内容并介绍近10年来特别是80年代后期在这一研究领域的最新进展，例如单点金刚石车削、可延展磨削、浮法抛光以及离子束抛光等。超精密加工的最终目标是直接操纵原则，本文还介绍了用扫描隧道显微镜（STM）实现亚纳米级超精密加工的可能性。亚纳米级超精密加工技术将成为下个世纪重要的高技术。     

磁流变抛光技术与装备研究

磁流变抛光技术利用磁流变抛光液的可控流变特性进行加工,被誉为光学制造界的革命性技术。重大光学工程、光刻机系统以及强激光武器等,对光学平面、球面及非球面元件的超精密加工提出了较强的需求,传统抛光技术已经难以满足这些元件的加工质量要求。     

衍射光学元件车削补偿技术的研究

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法,但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型,无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工,从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷,通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿,对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理,计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差,以此获得新的金刚石车削加工轨迹,实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验,最终使其PV值由10.4 m经过一次补偿加工后降为4.3 m。     

超精密环行抛光技术

在大口径超精密平面光学元件加工中，环抛是一种重要的抛光技术，作为古典抛光的一种改进工艺，它在光学加工中得到了广泛的应用。但是它目前还存在着一些问题：对操作者的经验依赖太强，加工效率不高，加工质量也不稳定。根本原因是人们对抛光磨削的规律还认识不够，尤其是—些工艺参数的影响。     

塑料透镜的开发与生产

本文综述了塑料光学元件的开发和生产。首先介绍了光学塑料材料,塑料透镜的设计,模具的材料和加工技术,然后介绍了精密塑料透镜的注射成型工艺和光学塑料非球面的测量。     

衍射光学元件精密模压模具设计及预补偿

衍射光学元件较球面、非球面光学元件在校正色差方面具备较大优势,尤其是在红外光学领域,应用衍射光学元件可进一步增加光学系统的设计自由度。随着红外光学市场的进一步增大,常规的衍射光学金刚石车削技术难以满足大规模需求,精密模压技术成为解决上述问题的关键技术。模具设计是实现精密模压的重点,为了缩减模具设计周期,该文采用有限元仿真方法对模具进行预先设计及补偿,并试加工。采用单站式精密模压机对设计的模具进行了精密模压试验。模压试验结果表明：采用合理的工艺参数,能够实现衍射光学元件面形精度PV达到0.56μm,位置误差<0.011 mm,环带高度误差<0.12μm,验证了仿真预先补偿在衍射光学模具设计中的有效性。     

非球面元件精密铣磨加工技术研究

通过对Φ42 mm和Φ82 mm口径非球面光学零件精密铣磨成型过程的加工特点和加工误差因素的分析,在工艺中引入刀具与工件变形、刀具半径误差等因素,结合经典Hertz接触理论建立了刀具与工件变形量及刀具半径误差和补偿理论模型,并且应用在精密铣磨成型过程中,通过实验,Φ42 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.91μm,RMS值达到0.288μm;Φ82 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.60μm,RMS值达到0.385μm,完全满足加工精度要求,加工时间节省了50%以上。实验验证了理论分析及误差补偿方法的正确性,实现了精密光学非球面元件的快速精密铣磨成型加工。     

单点金刚石精密数控车削加工技术及发展前景分析

针对我国红外热像仪、探测仪及惯性约束核聚变工程对红外晶体类光学元件的需求,开展了单点金刚石精密数控车削加工技术的研究,分析了单点金刚石精密数控车削加工技术的特点及应用范围、机床整体布局及主体结构型式。介绍了该项技术在国内外的发展现状和趋势,对该项技术的应用发展前景进行了分析和预测。在消化和引进国外先进制造技术和最新研究成果的基础上,突破单点金刚石精密数控车削加工的关键制造技术,解决了我国光学非球面精密数控车削加工技术和设备依赖引进的问题,实现了单点金刚石精密数控车削加工技术及设备的国产化,提高了我国红外光学元件的精密加工技术水平和设备制造能力。     

小口径非球面加工技术及装备综述

小口径非球面零件是一种非常重要的光学零件。介绍了国内外小口径非球面超精密加工技术的发展现状和装备。对单点金刚石车削、超精密磨削、透镜成型、超精密铣削和特种加工技术进行了综述。指出了小口径非球面加工的发展趋势和产业化需要解决的问题。     

先进光学制造技术进展

针对高功率固体激光发展的需求,总结了先进光学制造技术方面的研究进展。采用超精密制造技术提高了非球面等元件的加工精度和制造效率,并为解决低缺陷加工提供了技术途径。围绕面形误差控制,特别是中频波前误差控制,发展了多种确定性抛光技术。针对熔石英元件建立了去除-抑制模型及新的抛光技术,有效抑制了亚表面缺陷的产生。     

超光滑表面及其制造技术的发展

超光滑表面制造技术是超精密加工技术的一个重要分支。通过介绍超光滑表面的特征、应用及其制造技术的发展,希望给出超光滑表面技术的整体轮廓。在介绍超光滑表面的概念及其主要特征的基础上,通过典型例证指出了超光滑表面的软X射线光学、激光陀螺等科技领域的重要应用。回顾了超光滑表面制造技术的发展过程,对各种超光滑表面加工原理与方法进行了简单描述与评价。最后提出了对超光滑表面制造技术的发趋势的观点。     

单点金刚石车削加工切削距离的计算

讨论了大型金属反射镜在金刚石车削中,金刚石刀具的磨损对加工精度的影响;详细介绍了超精密加工中几种典型零件形状单点金刚石车削加工的切削距离计算方法,经计算在加工直径为1000mm的圆盘工件时,当刀具的进给量为2μm/r,切削距离达到近400km。通过计算为加工大型光学元件刀具磨损规律的研究提供分析基础。     

Ultra‐Precision Surface Machining with Reactive Plasma Jets

Atmospheric Plasma Jet Machining (PJM) is a technology for non‐mechanical ultra‐precision surface shape generation, shape error correction and smoothing based on atmospheric plasma jets. PJM is favorably applied to generate optical surfaces like aspheres, acylinders, or free‐forms but also to improve the surface shape accuracy in a very fast and cost‐efficient way. For that purpose a mainly fluorine containing plasma jet is brought into contact with a surface to locally remove material by a chemical reaction forming volatile products. Hence, the technology is limited to materials like silicon, fused silica and similar, or silicon carbide. Furthermore, the etch profile results from a convolution of the radical and the temperature distribution at the surface. Since the temperature distribution is also influenced by the plasma jet this leads to a non‐linear dependence of the removal function of the plasma tool on its velocity. Using the dwell‐time algorithm for deterministic surface machining by superposition of the local removal function of the plasma tool an advanced process simulation is necessary. In a first local approximation the velocity dependence of the removal function, which has to be determined previously, must be incorporated. Second order thermal effects due to inhomogeneous heating caused by the part geometry and the tool path can be managed by a sophisticated calculation of the surface temperature evolution during machining based on the Finite Element Method (FEM). With the help of this procedure the accuracy and convergence of the machining process can be significantly improved. In the article several examples of surface processing using plasma jet machining are presented. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

New development of atmospheric pressure plasma polishing

Atmospheric pressure plasma polishing （APPP） high quMity optical surfaces. The changes of is a precision machining technology used for manufacturing surface modulus and hardness after machining prove the distinct improvement of surface mechanical properties. The demonstrated decrease of surface residual stresses testifies the removal of the former deformation layer. And the surface topographies under atomic force microscope （AFM） and scanning electron microscope （SEM） indicate obvious amelioration of the surface status, showing that the 0.926-nm average surface roughness has been achieved.     

轴对称非球面超精密磨削的几何模型研究

超精密磨削轴对称非球面光学器件是提高加工效率和加工精度的有效方法。根据轴对称非球面的轴对称性采用了加工简便的二轴联动超精密磨床,给出了NC加工中的砂轮中心位置计算的几何模型,分析了加工中影响精度的主要误差源及所产生的误差,提出了相应的误差补偿策略,并给出砂轮形状改进方法。     

碳化硅指向反射镜轴的高精度镶接技术研究

碳化硅具有优异的热学性能和机械性能,是高性能空间光学应用中的优选材料。但由于它的硬度很高,使得碳化硅反射镜的高精度加工和装配变得很困难。为了提高碳化硅反射镜与两个镜轴固接后的位置精度,采用了结合衬套修正的偏心轴补偿镶接方案。结果表明,这种方法可以将镶接完成后的两个镜轴的同轴度误差降低到0.005mm。由于在镶接过程中仅需要通用的加工设备和工装夹具,因此可以在保证良好经济性的前提下提高碳化硅反射镜的装配精度。     

减少光学元件亚表面缺陷的方法研究

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准确度加工．通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,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．     

光学零件加工主要难点的分析

本文根据光学零件在当今科学技术中的重要作用,阐述了球面及非球面光学零件的各种加工方法及其难点,讨论解决加工难点的方向和可行方法。     

轨迹成型法加工球面光学零件新原理的研究

针对在现行球面光学零件加工的基本工序中存在的问题，提出了用轨迹成型法加工球面光学零件的新原理，并对其进行了深入研究。轨迹成型法加工新原理是零件在自身旋转的同时，以某一设定的曲率半径摆动的复合运动与磨轮的圆周运动相互干涉，形成凸或凹的球面。此加工原理的机床能够使加工工序集中化、磨床多用化、加工范围扩大化，而且使工件的面形精度和表面粗糙度容易得到保证，并且加工效率得到了提高，加工成本得到了降低。因此，该加工原理具有广泛的推广应用价值。     

Attosecond‐precision ultrafast photonics

We review our recent progress toward attosecond‐precision ultrafast photonics based on ultra‐low timing jitter optical pulse trains from mode‐locked lasers. In femtosecond mode‐locked lasers, the concentration of a large number of photons in an extremely short pulse duration enables the scaling of timing jitter into the attosecond regime. To characterize such jitter levels, we developed new attosecond‐resolution measurement techniques and show that standard fiber lasers can achieve sub‐fs high‐frequency jitter. By leveraging the ultra‐low jitter of free‐running mode‐locked lasers, we pursued high‐precision optical‐optical and optical‐microwave synchronization techniques. Optical signals spanning 1.5 octaves were synthesized by attosecond‐precision timing and phase synchronization of two independent mode‐locked lasers. High‐stability microwave signals were also synthesized from mode‐locked lasers with drift‐free sub‐10‐fs precision. We further demonstrated the attosecond‐precision distribution of optical pulse trains to remote locations via timing‐stabilized fiber links. Finally, the application of optical pulse trains for high‐resolution sampling and analog‐to‐digital conversion is discussed.