射流等离子体工艺参数对物理抛光效果的影响

为实现超光滑表面光学元件的高精度无损加工,将大气射流等离子体炬技术引入到超光滑光学元件加工中.以石英玻璃为加工对象,对大气射流等离子体炬的物理抛光去除效应进行了研究,分析了大气射流等离子体炬放电功率、抛光时间、样品处理位置等工艺参数的变化,对石英玻璃刻蚀速率和表面粗糙度的影响.实验结果表明,以空气为工作气体时,对石英玻璃的刻蚀速率最高可达4.6nm/min.经抛光处理后的石英表面粗糙度受到工艺条件的影响,在等离子炬功率为420～460W,作用距离16～22mm范围内,石英玻璃的表面粗糙度有明显下降,随着抛光时间的增加,呈现出收敛性.     

离子束入射角对熔石英表面粗糙度的影响

超光滑的表面对高性能光学系统的性能至关重要,为了可以实现离子束抛光对元件表面超光滑的制造,离子束抛光(ion beam figuring,IBF)引起的元件表面形貌光滑化和粗糙化在很大程度上取决于加工条件.通常不正确的离子束抛光方法会导致光学表面的粗糙度增加,选择合适的加工方法可以减小表面的粗糙度,实现表面的超光滑.结果表明:基于高精度的离子束抛光技术,为了改善熔石英表面粗糙度,采用了0°～45°之间不同入射角度的离子束倾斜抛光进行研究,小角度(0°～30°)倾斜入射抛光可以较好地改善表面粗糙度,实现了离子束倾斜超光滑表面的生成,而在大入射角时观察到纳米级波纹图案,粗糙度值显著增大,不利于生成超光滑的表面.     

等离子体抛光对表面粗糙度的影响

为了得到超光滑表面且无表层损伤的光学元件,引入一种新型的超光滑表面加工技术——等离子体抛光.在新设计的等离子加工实验平台上进行了等离子体加工工艺实验,对氧气流量,放电功率大小,磁场大小几个参数对基片表面粗糙度的影响进行了实验研究,且优化了工艺参数.结果表明增加氧气流量,合理控制功率和磁场强度都会使等离子体抛光基片表面粗糙度减小.当氧气流量为50 sccm,功率为80 W,磁场强度为17 mT时,粗糙度达到最小值0.9 nm.     

超光滑光学基片表面激光清洗机理与技术

分析了激光清洗技术在清洗超光滑光学在片表面应用中的难点和可行性，并利用Nd:YAG脉冲激光器对超光滑光学玻璃表面进行了激光清洗实验，实验结果表明了激光清洗技术清洗超光滑光学基片方面非常有效。在此基础上建立了激光清洗的热学模型，结合气泡成长动力学和流体力学理论，分析了超光滑光学基片表面激光清洗的机理，量化了作用了杂质微粒上的去除力。     

磁流变抛光超光滑光学表面

研究了利用初始粘度达到0.5Pa·s、具有相对大范围稳定性的标准磁流变抛光液,并结合设计独特的公自转组合运动永磁抛光轮进行了试验,对抛光过程中的主要参量包括抛光轮与工件之间间隙、抛光轮与工件之间相对运动速度、氧化铈浓度及抛光时间对材料去除特性的影响进行了研究.磁流变抛光对工件(K9玻璃)表面粗糙度提高效果的抛光试验结果证明,该套系统具有良好的抛光特性,抛光28min后工件表面粗糙度由最初的10.98nm收敛到0.6315nm,获得了超光滑量级的抛光表面.     

SiC悬浊液超光滑表面加工技术

以纳米SiC颗粒悬浊液作为超光滑加工的载体,研制了适合进行超光滑表面加工且具有良好分散性和稳定性的纳米SiC颗粒悬浊液,阐述了悬浊液浮超光滑表面加工的机理,并用该悬浊液对K9光学玻璃进行了加工试验研究,并进行了AFM测试。验证结果表明,加工获得的K9光学玻璃表面粗糙度可以达到Ra=0.84 nm的水平。     

非球面镜超光滑加工控制软件的研究

根据非球面光学元件超光滑加工工艺的要求,研究并实现了非球面镜超光滑数控加工的磨头控制算法。首先,从加工的角度分析了软件的功能要求,提出了软件的整体结构以及路径规划及后置处理模块的处理流程;然后,研究了回转对称非球面的母线离散算法,并在此基础上研究了非球面母线的双圆弧拟合算法。针对超光滑机床的机械结构,给出了其后置处理算法;最后,利用所述的控制算法在VC＋＋环境下开发了超光滑加工控制软件,并成功应用于超光滑数控加工。     

光学元件亚表面损伤深度的无损荧光检测方法

为了实现光学元件亚表面损伤的低成本、快速、准确检测,提出一种光学元件亚表面损伤深度无损荧光检测方法.在研磨和抛光加工过程中添加纳米荧光量子点溶液作为标记物,量子点受到激发光辐照后能够产生荧光现象,然后利用激光共聚焦显微镜进行逐层扫描以获取被测样品不同深度处的切片图像,当扫描深度达到某一特定值时,荧光强度开始由强变弱,通过特征点荧光强度的变化最终确定光学元件的亚表面损伤深度.自行开发了亚表面损伤深度无损检测软件,检测软件具有图像阈值处理、亮点自动识别、图像显示和曲线表征等功能,可以实现光学元件亚表面损伤深度的快速无损检测.将无损检测结果与损伤性检测结果进行了对比分析,结果表明两种检测方法相对误差在10%以内,验证了提出的无损荧光检测方法的有效性.     

无磨料低温抛光件表面分形特性

利用HL Ⅱ型微机控制原子力显微镜(AFM)系统对无磨料低温抛光件表面的轮廓曲线进行了测量。基于分形理论,分析和讨论了不同工艺参数对表面分形维数D和轮廓算术平均偏差Ra的影响。研究结果表明:D与Ra反映了表面质量的不同方面,它们之间有一定的对应关系,但并不是线性的;对于同样的加工方法,硬质合金材料的D值比铝合金材料的D值大;分形维数可以揭示超光滑表面的表层质量。     

实时扫描非接触测量表面微观轮廓仪

介绍了一种利用非接触式方法实时扫描测量精密元件表面轮廓的技术,同时研究了研制了计算机自动控制的多功能表面轮廓仪,该仪器可对各种超光滑球面及平面进行平移和旋转的实时扫描采样,利用干涉共模抑制技术,有效抑制了各种噪声,测量数据可靠,实时显示表面轮廓参数及轮廓图,仪器横向分辨率为１μｍ,纵向分辨率为０．１ｎｍ。     

光学玻璃表面液流悬浮研抛加工

在研究表面光整加工方法的基础上,提出了一种液流悬浮研抛加工的新工艺方法。研制了基于三坐标数控铣床的液流悬浮研抛试验系统,并对光学玻璃(K9)进行了液流悬浮研抛试验。对研抛过程进行了分析,探讨了脆性材料的去除机理,即在磨粒冲击和剪切作用下,工件表面是以冲击和剪切的塑性去除方式加工的。试验结果表明:利用液流悬浮SiC纳米磨料研抛的方法可以实现光学玻璃的纳米去除和超光滑表面加工。     

数控非球面超光滑加工机床空间误差建模

为了快速有效地提高超光滑加工机床的加工精度,为实施误差补偿做好基础和准备工作,进行了超光滑加工机床误差建模技术的研究.根据数控超光滑加工机床的具体结构,运用多体系统运动学理论的基本原理,建立了机床成形系统的拓扑结构和低序体阵列,并推导出机床相邻体的特征矩阵,它是进行机床精度分析与建模的核心.基于多体系统运动学精度分析理论,详细研究了数控超光滑加工机床的理想成形运动函数、理想成形运动约束、实际成形运动函数以及实际成形运动约束,进而得到了刀具成形点的综合空间位置误差,最终完成了超光滑加工机床的综合空间误差建模过程,给出了具体模型表达式.     

大离轴量抛物面镜的加工

大离轴抛物面镜的加工与检测是当今光学加工的热门课题.本文介绍了为新加坡同步辐射光源研制的离轴抛物面镜,包括抛物面镜的加工与检测.该抛物面镜零件的特点是离轴量1米以上,倾斜度误差与表面粗糙度要求都很高.加工的最终倾斜度误差为1.55弧秒,粗糙度RMS为2.24纳米,达到国际同类镜的先进水平.     

计算全息用于非球面检测的研究

为了实现对非球面的高精确度检测,提出,采用计算全息补偿干涉测量原理检测二元旋转对称非球面,分析了检测光路,推导出全息图条纹位置计算公式,得到了用于非球面检测的计算全息图样,并对测量光路进行了仿真分析,结果表明,计算全息补偿干涉测量法测量的均方差值比传统的干涉测量法小．     

无磨料低温抛光的均匀性仿真

无磨料低温抛光是一种可获得原子级超光滑表面的新方法。作者首先对加工区进行建模,并分析了冰盘与工件盘在水平面内的相对运动,然后利用Preston方程对工件的抛光均匀性进行了分析,并用数值方法实现了计算机仿真。结果表明:工件盘与冰盘的偏心距越大,工件的抛光均匀性越好。     

获取平面光学元件面形偏差的方法研究

提出一种利用BP神经网络获取平面光学元件面形偏差的方法。该方法先确定一幅干涉条纹图像测试区域中条纹弯曲量和条纹间距,然后对BP神经网络进行训练,最后获取被测平面光学元件的光圈数。通过与Zygo激光干涉仪的测量结果进行比较,发现两者的测量结果相吻合。实验结果表明,该方法不仅可以增强处理干涉条纹图像的适应性,而且可以提高测量精度。     

单晶硅柱面反射镜的加工与检测

为了实现大尺寸柱面镜的高精度加工,解决这一领域面临的难题,对单晶硅柱面反射镜的加工和检测方法进行了深入的研究。本文采用古典工艺和现代工艺相结合的方法进行加工。首先,介绍了单晶硅柱面反射镜的加工过程,包括粗磨、细磨、抛光。然后,在此基础上,对抛光盘的制作和抛光液的选择进行了详细的阐述。最后,使用轮廓仪和干涉仪进行面形检验,对面形误差进行了分析。实验结果表明,尺寸为300×150×50mm,半径为4000mm的平凹柱面镜,加工后实际半径为4028mm,面形误差P-V值为0.15μm,光洁度为Ⅲ级。各项数据均达到了图纸的精度,满足了光学元件的使用要求。     

光纤连接器端面的显微干涉测试系统

介绍了一种基于显微干涉的光纤连接器端面的测试系统,干涉仪由Mirau干涉物镜和镜筒透镜组成,CCD相机采集干涉图样,经处理后得到相位分布图．采用Carre相位提取算法,无需进行特定步长的相移．对光纤连接器端面的表面形貌、曲率半径、顶点偏移进行测量,测量系统的横向分辨率可达到0．9μm,重复性测量精度为9．5nm．     

菲涅耳衍射变换及其在二元光学设计中的应用

导出菲涅耳衍射的逆运算表达式，定义菲涅耳衍射变换，并基于二元光学设计的Gerch-berg—Saxton(GS)算法，将菲涅耳衍射变换用于二元光学元件的设计，给出对产品表面作激光标记的光学元件的设计实例．