熔石英元件抛光加工表面残余应力的计算方法

为解决传统检测方法无法直接定量检测非晶体熔石英玻璃表面残余应力的问题,基于脆性固体断裂力学理论,推导残余应力的理论计算公式,提出光学元件抛光加工表面残余应力计算新方法.采用尖锐压头进行纳米印压实验,提取压痕过程中对残余应力敏感的参数,并对实验数据进行线性拟合,确定拟合线的斜率,通过测量残余应力引起其他物理参数的变化计算残余应力.对比分析结果表明,计算得到残余应力值与应力双折射仪检测得到的数据基本吻合,验证了提出残余应力计算方法的正确性.     

基于等效积分的去除函数误差修正能力分析

针对计算机光学表面成形技术的去除理论中关于材料去除量及去除函数误差修正能力问题,基于等效去除积分法,对高斯型、三角形、梯形、脉冲随机复合型等多种不同形态的去除函数修正能力进行研究,通过频域分析去除函数的误差修正能力,获得调制参数与去除函数修正能力的关联曲线,建立基于等效去除积分法的去除函数截止修正能力评价模型,为去除函数误差修正的调制及去除函数修正能力评价提供依据,从而在大口径光学元件的超高精确度加工中,提高超光滑光学元件表面的质量。     

熔石英磨削砂轮截面轮廓分析与优化

为提高熔石英光学元件磨削加工质量,降低亚表面缺陷层深度,通过实验和理论分析发现,具有平直截面轮廓的平行金刚石砂轮,在加工熔石英光学元件时砂轮边缘位置处会产生加工应力集中,该应力集中直接导致了元件表面产生"连续白线"状深缺陷,其深度达22 μm。为抑制砂轮边缘位置加工应力集中现象,设计了"中央平直线+两侧边缘圆弧过渡"的复合式截面轮廓,并提出了相应的修整方法。通过砂轮修整实验,验证了该方法的可行性,磨削元件"连续白线"状深缺陷得到明显改善,亚表面缺陷深度小于2.5 μm,实现熔石英元件的低缺陷磨削加工。      

熔石英元件抛光加工亚表面缺陷的检测

亚表面缺陷的准确检测是进行亚表面损伤研究的前提和基础,对保证光学元件加工质量至关重要.基于HF酸化学蚀刻法对熔石英元件抛光加工产生的亚表面水解层、缺陷层深度和亚表面损伤形貌进行了定量检测,并利用X射线荧光光谱法研究了熔石英抛光试件杂质元素的种类和元素含量沿深度分布规律,提出了熔石英元件抛光加工亚表面损伤深度的判定方法.研究表明:由于水解层和亚表面缺陷层的存在,熔石英抛光试件的蚀刻速率随着时间的增加呈现递减的趋势,且在蚀刻的初始阶段蚀刻速率下降尤为明显;当蚀刻深度超过某一特定值后,全部或部分覆盖在水解层以下的缺陷层将会被完全蚀刻去除,蚀刻速率基本保持不变;另外,熔石英抛光试件存在多种形式的表面及亚表面缺陷,在不同蚀刻深度,亚表面损伤形貌、划痕的宽度和深度也存在一定的差异.     

圆弧金刚石砂轮三维几何形貌的在位检测和误差评价

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求,提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型,利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据;对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理,得到砂轮三维几何形貌。然后,根据非球面平行磨削加工特点,提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓,进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标,并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后,对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测,获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据:即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3mm,半径波动极差为0.16mm,中央±8mm环带内圆弧的圆度误差约为5μm,圆周跳动误差约为2μm,截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008mm。根据检测结果,进行了大口径复杂非球面磨削实验,得到的元件面形P-V值为4.62μm,RMS值优于0.7μm,满足工程的实际需求。     

光学元件改性处理对激光损伤阈值的影响

针对355nm激光作用于熔石英光学元件后其损伤阈值容易变差的问题,提出使用1.7%纯HF溶液和0.4%HF与1.2%NH4F混合的BOE溶液对样品进行处理来提高它们的激光诱导损伤阈值(LIDT)。在相同的条件下将熔石英光学元件浸没到上述两种不同的刻蚀溶液中进行处理,通过测量刻蚀过程中元件重量变化来计算刻蚀速率,利用Zygo轮廓仪测试元件表面粗糙度,然后对355nm激光照射下熔石英元件的损伤阈值情况进行研究。损伤测试表明,LIDT与元件的材料去除深度有关系,用两种刻蚀液刻蚀去除一定深度后,LIDT均有增加,但是进一步去除会显著地降低元件的LIDT。在处理过程中,这两种刻蚀液的去除速率都很稳定,分别为85.9nm/min和58.6nm/min左右。另外,元件表面的粗糙度会随着刻蚀时间的增加而变大。在刻蚀过程中还通过纳米技术测量了熔石英元件表面的硬度及杨氏系数,不过没有证据表明其与激光诱导损伤有明确的关系。     

KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能的研究

压痕和刻划实验是测量材料弹性、塑性和断裂行为的最简单方法,磷酸二氢钾(简称KDP)作为优质的非线性光学材料,常用作光学频率转换器件和电光开关元件,一般采用单点金刚石削的方法加工此类零件.为了深入了解KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能的变化规律,本文对KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能指标如硬度H、断裂韧性Kc和残余应力σr方面的有关问题进行深入研究,并通过对KDP晶体(001)面不同晶向上的硬度检测,系统分析了KDP晶体加工表面晶向对材料硬度、断裂韧性和残余应力的影响,研究结果表明:KDP晶体的同一晶面的不同晶向硬度和断裂韧性具有强烈的各向异性.     

光学加工中抛光垫特征对工件面形的影响分析

抛光是光学加工中获得超精密表面的主要手段.为明确抛光垫特征对平面光学元件抛光面形的影响规律,分析了抛光垫与工件之间的界面接触形式,并建立接触力学分析模型,运用有限元方法分析了工件与抛光垫之间的接触压力分布情况,获得了抛光垫厚度及表面球半径等特征对抛光压力分布的影响规律.基于理论分析结果,提出了一种新的平面抛光面形控制技术.在实验中对一块尺寸为430 mm×430 mm×60 mm的熔石英元件进行了加工,通过将抛光垫表面修整为微凸面,同时对抛光转速比进行精确控制,实现了工件面形精度的快速收敛.     

高精度离轴非球面透镜的制造与检测

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求,提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光,实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术,在低频误差不被恶化的情况下,控制元件中高频误差。在抛光过程中,利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工,实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1,GRMS=5.7 nm/cm,PSD1 RMS=1.76 nm,PSD2 RMS=1 nm,Rq=0.61 nm,并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明,离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。     

数控抛光加工应用于波前畸变校正

高功率固体激光装置的波前校正通常采用自适应光学或衍射光学的方法,但这些方法的应用都有一定的困难.小磨头数控抛光加工技术已逐渐得到广泛的应用,用它来实现大口径高功率固体激光装置的静态波前畸变校正提供了解决此问题的新思路.文章给出了校正试验模型、试验过程和结果.波前畸变由校正前的PV值4.59 λ(λ=632.8 nm),RMS值0.938 λ下降到校正后的PV值0.43 λ,RMS值0.075 λ.校正的效果是相当明显的,证明了其应用的可行性.