平面调制靶的正弦波曲面超精密加工与表征

采用超精密车削技术加工微尺度正弦波调制曲面微结构,解决了尖刃金刚石刀具刃磨和刀具对中等关键技术,研究了进给量、背吃刀量和主轴转速等主要切削参数对铜模板表面粗糙度的影响规律。加工出波长为（20～150）m0.5 m﹑峰谷高度差为（0.2～20）m0.1 m的带正弦波调制曲面。采用原子力显微镜对模板表面轮廓扫描,在20 m20 m的范围内,其表面粗糙度均方根值小于10 nm。将正弦波调制曲面测量结果与理论轮廓进行比较,采用最小二乘寻优算法评定轮廓误差。完成了曲面轮廓的功率谱表征,利用加工的曲面微结构制备了平面调制靶,实现正弦波调制曲面轮廓的精确转移。     

靶丸表面轮廓形貌AFM精密测量及特性评价

 建立了由改造的原子力显微镜(AFM)、精密回转气浮轴系、辅助转位轴系等组成的靶丸表面形貌精密测量系统,气浮轴系的回转精度达0.049 μm,实现了对激光核聚变靶丸3个正交方向上完整圆周迹线的测量。对选定靶丸的测量数据进行了球度、表面粗糙度及功率谱分析。结果表明：其球度值为0.42 μm;模数范围为2~10,11~50,51~100及101~1 000对应的表面粗糙度值平均为105.7, 12.2, 6.2, 18.25 nm;并得出了平均1维功率谱-模数关系曲线。     

冲击波实验用铝楔形靶加工技术

采用单点金刚石车削技术制备加工铝楔形靶,发现金刚石车削加工楔形靶实际轮廓为圆锥面。通过Veeco NT1100白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量,结果表明平面部分表面粗糙度小于50 nm,最大峰谷值小于100 nm,斜面部分表面粗糙度小于200 nm。分析认为斜面部分粗糙度测量数值较大是由刀具工作角度变化导致的,而测量轮廓线非圆锥体母线又导致粗糙度测量结果大于实际值。     

原子力显微镜测试光学超光滑表面微轮廓的研究

论述了使用原子力显微镜测量超光滑光学表面的优点及其在光学领域中的重要应用。列举了用这种方法测试得到的超光滑光学表面微轮廓图及纳米量级的微缺陷,以及这些表面镀膜前后表面形态结构和微粗糙度的变化。作为比较,列举了用干涉轮廓仪测得相同表面的微粗糙度参数等８。由于原子力显微镜有三维的高精度,而干涉方法只有一维的高精度,所以前者可以得出表面真实形貌和微轮廓。     

状态方程实验用铜多台阶靶制备工艺

 采用单点金刚石切削技术,通过合理的刀具设计、夹具设计及工艺过程设计,确定了加工工艺参数,完成了厚度几μm至几十μm的无氧铜多台阶靶的制备。通过触针式轮廓仪,台阶仪,白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量。结果表明：通过单点金刚石切削技术加工成形的铜多台阶靶,各台阶表面均方根粗糙度小于50 nm,工件表面轮廓平直,台阶垂直度较好。采用阿基米德原理对材料密度进行测量,加工成形后密度为(8.945±0.074) g/cm3,接近材料理论密度。     

基于多波长干涉的瞬态轮廓检测Mirau显微镜

针对单波长Mirau干涉显微镜存在测量范围小和2π模糊等问题,提出了多波长Mirau偏振干涉显微镜,以实现微观轮廓的大动态范围测量的和表面粗糙度等显微结构的瞬态检测。系统利用R、G、B三个单色LED光源实现多波长干涉;利用彩色偏振相机获取瞬态相移干涉条纹图,降低实时瞬态检测中复杂的环境扰动影响;利用线栅偏振片调节条纹对比度,满足不同被测对象的反射率检测要求。为验证系统方案的可行性,经过系统误差补偿校准后测量标称值为1.993 9μm的标准微米台阶,结果与标称值的偏差约为5.4 nm。利用该方法与Wyko干涉仪对金刚石车削凸面反射镜表面微观轮廓和表面粗糙度进行测量,表面粗糙度测量结果均方根值偏差为3.7 nm,验证了该系统可实现高精度的大动态范围测量。     

黑腔芯轴平台微细电火花加工技术

采用电火花成型加工技术,在黑腔芯轴侧表面加工平台。采用白光干涉仪对平台表面轮廓及粗糙度测量,结果表明:平面部分表面粗糙度小于0.5μm,最大峰谷高度小于15μm。通过奥林巴斯测力显微镜对平台尺寸测量,结果表明:平台的轴向尺寸加工精度可控制在±10μm,同一电极加工的平台尺寸一致性可控制在±2μm。分析了电极损耗对零件形状精度的影响规律以及平台表面粗糙度的影响因素,并通过负极性加工去除电极损耗对平台尺寸精度的影响。     

基于机器视觉的刀具轮廓在线检测方法的研究

超精密单点金刚石车削过程中需要对刀具参数进行检测。基于机器视觉原理,采用新型的机械结构设计了新型刀具在线检测系统。通过垂直放置的两组由同轴远心镜头和CMOS相机组成的光学系统来获取车刀刀尖正面及侧面的图像,再经图像处理系统来获取刀具的轮廓及位置信息,完成对刀具轮廓及位置的在线检测,实验验证可实现测量的重复性定位精度达1μm。在线检测的方式借助了超精密车床自身的高精度和运动机构,可以保证相机焦点和机床主轴之间的相对位置关系,弥补了目前刀具检测系统稳定性差和重复性精度低的不足,提高了加工的整体效率。     

CaF2衍射光学元件的金刚石车削工艺优化

为了提高单点金刚石车削CaF2衍射光学元件(DOE)的表面质量和衍射效率,首先基于Beckman标量散射理论和有效面积法,建立了表面粗糙度误差和表面轮廓误差对衍射效率影响的数学模型.然后,结合CaF2的车削特性和DOE的结构特点,优化了CaF2 DOE的车削模型.同时,给出了不同工艺条件下半圆金刚石刀具的最佳车削位置和最优刀具半径,实现了对CaF2 DOE表面粗糙度的控制.最后,在该优化模型的指导下,获得了表面粗糙度为3.4 nm、阴影区域宽度为28.7μm的高表面质量的CaF2 DOE,验证了所提优化车削模型的可靠性.所提车削模型对提高包含CaF2 DOE折-衍混合光学系统的成像质量具有重要意义.     

同质与异质外延掺杂CVD金刚石薄膜的结构与性能

采用化学气相沉积(CVD)技术,以高温高压(HTHP)合成的(100)金刚石和p型(100)Si为衬底制备了硫掺杂和硼-硫共掺杂金刚石薄膜,利用原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)及隧道电流谱(CITS)等手段分析同质和异质外延CVD掺杂金刚石薄膜的结构和性能.结果表明:异Si衬底上CVD金刚石的形核密度低,薄膜表面比较粗糙,粗糙度达到18.5nm;同质HTHP金刚石衬底上CVD金刚石薄膜晶粒尺寸约为10—50nm,表面平整,表面粗糙度为1.8nm.拉曼测试和电阻测量的结果显示,在HTHP金刚 关键词： 金刚石 掺杂 外延     

Description of surface roughness of sol-gel films/coatings by X-ray reflectivity technique

As an excellent optical or photoelectric material, indium tin oxide (ITO) film was prepared by sol-gel dip-coating and subsequent annealing process. X-ray reflectivity measurement based on the first Born approximation theory was performed for the characterization of surface roughness of ITO film. It is found that the roughness can be described as self-affined over finite length scales and the surface roughness increases with the annealing temperature or holding time. The results were compared with complementary data obtained by atomic force microscope tests and it is found that they match very well. The first Born approximation theory provides a valuable tool for the rough surface characterization of sol-gel films/coating through X-ray reflectivity technique.     

折衍二元光学用金刚石车刀设计

栏光效应是影响折衍元件衍射效率的一个重要因素,栏光效应与加工刀具有着密切的关系。分析刀具圆弧半径与栏光效应的联系、刀具参数与元件加工后的表面粗糙度的关系以及刀具耐用度等要求,设计了加工折衍二元光学元件的金刚石刀具,给出刀具加工里程数计算公式和车削实验结果。实验结果证明:设计的金刚石刀具能够满足折衍二元光学元件的产业化加工要求,刀具耐用度较强化前提高2倍多。     

幅度调制原子力显微镜仿真平台

基于欧拉-伯努利模型,对幅度调制原子力显微镜( AM-AFM)进行建模,采用P]D控制器进行反馈控制,建立了一套幅度调制原子力显微镜仿真平台.仿真结果表明,该平台准确地模拟了AM-AFM探针接近样品和扫描样品的过程中探针的运动状态及AM-AFM的工作系统,可作为大学生做原子力显微镜实验的辅助工具,使学生对AM-AFM的...     

Effect of substrate morphology on the roughness evolution of ultra thin DLC films

The effect of substrate roughness on growth of ultra thin diamond-like carbon (DLC) films has been studied. The ultra thin DLC films have been deposited on silicon substrates with initial surface roughness of 0.15, 0.46 and 1.08 nm using a filted cathodic vacuum arc (FCVA) system. The films were characterized by Raman spectroscope, transmission electron microscope (TEM) and atomic force microscopy (AFM) to investigate the evolution of the surface roughness as a function of the film thickness. The experimental results show that the evolution of the surface morphology in an atomic scale depends on the initial surface morphology of the silicon substrate. For smooth silicon substrate (initial surface roughness of 0.15 nm), the surface roughness decreased with DLC thickness. However, for silicon substrate with initial surface roughness of 0.46 and 1.08 nm, the film surface roughness decreased first and then increased to a maximum and subsequently decreased again. The preferred growth of the valley and the island growth of DLC were employed to interpret the influence of substrate morphology on the evolution of DLC film roughness.     

相移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度

 通过分析光线通过微球壳层后各界面的相位分布,讨论了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的基本原理,研究了微球上部壳层对内表面粗糙度测量的影响,得到了聚苯乙烯,聚a甲基苯乙烯微球的内表面形貌特征图像,测量数据与原子力显微镜测量数据在同一量级。以微球壳层对超光滑碳化硅及单晶硅片表面形貌的调制作用为研究对象,讨论了微球的外表面粗糙度以及微球壁厚对内表面粗糙度测量结果的影响,确定了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的不确定度,实验结果表明：对于表面粗糙度小于30 nm、厚度小于9 mm的微球,测量不确定度小于0.4 nm。     

A verification of quantum field theory — measurement of Casimir force

Here we review our work on measurement of the Casimir force between a large aluminum coated a sphere and flat plate using an atomic force microscope. The average statistical precision is 1% of the force measured at the closest separation. We have also shown nontrival boundary dependence of the Casimir force.     

Film morphology and orientation of amino silicone adsorbed onto cellulose substrate

A series of amino silicones with different amino values were synthesized and adsorbed onto surfaces of cotton fibers and cellulose substrates. The film morphology, hydrophobic properties and surface composition of the silicones are investigated and characterized by field emission scanning electron microscope (FESEM), atomic force microscope (AFM), contact angle measurement, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and attenuated total reflectance infrared (ATR-IR). The results of the experiments indicate that the amino silicone can form a hydrophobic film on both cotton fibers and cellulose substrates and reduce the surface roughness significantly. Furthermore, the roughness becomes smaller with an increase in the amino value. All these results suggest that the orientation of amino silicone molecule is with the amino functional groups of amino silicone molecule adsorbed onto the cellulose interface while the main polymer chains and the hydrophobic Si-CH₃ groups extend toward the air.     

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.     

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。