传统的接触式加工不可避免地会在光学元件上产生亚表层损伤,而大气等离子体抛光(APPP)具有非接触、可定量去除、加工过程不受材料性能影响等优点,在光学加工领域有着巨大的应用潜力。但在实际加工过程中,光学元件加工后的收敛效果并不明显,经验证明去除量随驻留时间的变化呈非线性而导致了加工误差。针对这一问题,首先优化了加工参数;之后研究了加工原理以及加工残余物对后续加工的影响,分析了加工存在非线性效应的原因;提出了一种基于变去除函数的驻留时间算法,并进行了实验验证。结果显示,对尺寸为120 mm×65 mm×10 mm的熔石英光学元件进行变去除函数加工实验,面形峰谷值(PV)的平均收敛率由加工前的21.41%提升至加工后的60.52%,面形均方根值(RMS)的平均收敛率由加工前的24.13%提升至加工后的74.79%,实现了熔石英元件的高精度快速加工,验证了变去除函数加工的有效性。

大气等离子体抛光(APPP)是一种非接触式的化学刻蚀加工方法,具有效率高、成本低、精度高等优点,可以作为碳化硅(SiC)加工的一种有效手段。基于APPP气体放电理论和尖端电场畸变效应,分析了电极结构对等离子体放电稳定性和去除函数的影响;从理论上推导了APPP加工SiC的最优电极尖端半径,并进行了实验验证。在最优电极的基础上,系统分析了不同加工参数下APPP刻蚀SiC的去除函数的特性。通过优化电极结构和工艺参数,对直径为50 mm、初始面形误差峰谷(PV)值为475.846 nm、初始面形误差均方根(RMS)为124.771 nm的无压烧结碳化硅(S-SiC)进行加工,加工21 min后,S-SiC工件的PV值降低至103.510 nm,RMS值降低至12.148 nm,RMS收敛率达90.26%。实验结果显示:APPP加工SiC比大多数传统加工方法的效率更高。

全口径环形抛光中方形元件的材料去除率存在从中心到边角位置越来越大的现象,致使抛光工件出现塌角的面形,影响了方形光学元件的面形质量。基于Preston方程,通过改变元件的多种运动轨迹,计算了方形光学元件全口径的材料去除率分布。通过分析发现:使方形光学元件在保持原有自转的同时沿抛光模径向或与径向有一定夹角的方向摆动,且附加在元件整个抛光面上的运动速度保持一致时,可使方形元件的材料去除率分布得更均匀。通过附加这种运动方式可以有效控制方形元件的塌角现象。

采用热弹性模型, 对光学薄片点胶过程进行了有限元分析。对点胶后影响工件面形变化(Δp)的工艺参数进行了优化。研究结果表明, 对于光学薄片(直径为100 mm, 厚度为2 mm), 宜选择具有高弹性模量和低热膨胀系数的薄底板材料, 且胶点的半径、个数及弹性模量越小, Δp越小; 胶点位置应该避开高Δp区域; 胶点的热膨胀系数对Δp的影响较小。

针对大口径平面光学元件全频谱面形技术指标的高效率、高精度收敛, 研究了环形抛光技术。考虑环抛机沥青蜡盘的平面度直接影响工件面形的收敛效率, 本文利用准直激光束作为参考, 设计研制了测量精度高, 重复性精度达到±1 μm的大型环抛机抛光蜡盘平面度测量专用装置。分析了环抛过程中蜡盘表面平面度和工件面型PV值之间的变化规律和相关性, 根据测量数据得出了蜡盘平面度数据和工件面形的对应关系。实验显示: 当平面度和面形曲线相差较大时, 工件面形可快速收敛至1λ左右, 并由粗抛向精抛工序快速过渡。提出的大型环抛机抛光蜡盘平面度监测装置实现了对湿滑胶体平面的高精度、快速测量, 为环抛的确定性抛光工艺提供了重要的技术支持。

为了研究不同杂质颗粒物对划痕的影响及其大小与划痕形貌之间的关系，在钕玻璃抛光过程中分别引入三种尺寸的金刚砂、氧化铈团聚物和用过的抛光粉作为杂质颗粒物，对抛光过程中产生的划痕形貌进行统计分析。结果表明，脆性划痕、塑性划痕和混合型划痕都存在，其中脆性划痕占很大比例；氧化铈团聚物和用过的抛光粉产生的划痕浅且少，金刚砂产生的划痕深且多；随着金刚砂粒径的增大，对应产生的划痕的数密度和长度也增加；不同粒径的金刚砂产生的划痕的宽度分布与其对应的粒径分布相似，呈高斯状分布。利用T. Suratwala提出的黏弹性模型，探讨了钕玻璃抛光过程中划痕产生的机理，得到了划痕的宽度与长度都随着引入杂质颗粒物粒径的增大而增加的结论。

超分辨近场结构光存储技术(Super-RENS)是一种利用功能薄膜结构实现突破光学衍射极限的信息点记录和读取的新技术，作为超分辨光盘结构的掩膜材料是决定其性能的关键。利用透射电子显微镜研究了可作为超分辨光盘掩膜层Sb2Te3薄膜的晶态结构、表面形貌；利用光谱仪和椭偏仪分析了其光学性质随膜厚的变化。结果表明，沉积态Sb2Te3薄膜呈弱晶状态，在一定厚度范围内，其光学性质随膜厚的不同有较大变化。当膜较薄时，其消光系数和折射率随膜厚的增加而减小；当膜厚达到一定值时，其光学常数随膜厚的增加逐渐趋于稳定，即存在膜厚影响临界值。消光系数和折射率的膜厚影响临界值分别在80 nm和50 nm左右。薄膜的光学性质与膜厚的关系可以用薄膜结构的连续性来解释。

Different pattern structures are obtained on the AgInSbTe (AIST) phase change film as induced by laser beam. Atomic force microscopy (AFM) was used to observe and analyze the different pattern structures. The AFM photos clearly show the gradually changing process of pattern structures induced by different threshold effects, such as crystallization threshold, microbump threshold, melting threshold, and ablation threshold. The analysis indicates that the AIST material is very effective in the fabrication of pattern structures and can offer relevant guidance for application of the material in the future.

为了获得性能优良的镀层,在Fe-C合金表面制备了均匀的化学镀层,然后通过高功率连续CO2激光处理镀层表面,利用透射电子显微镜(TEM)观察了沉积Al2O3粒子的微观形貌,采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察了镀层处理前后表面及截面形貌,用X射线能谱仪(EDS)对处理前后的镀层进行了元素分析,用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析,测试了处理前后镀层物相的变化,用微观硬度仪测量了激光处理后截面的硬度分布。结果表明,激光处理后,强化层表面平整光滑,与基体形成冶金结合,成分均匀,组织细密; 处理层物相明显从镀态的非晶态向晶态转变,出现了Ni3P和其他一些非平衡强化相。截面处理层由表及里可分为四层：激光作用层、过渡层、热影响区(HAZ)以及基体。纳米Al2O3颗粒均匀分布在过渡区,激光处理层显微硬度约提高3倍,这主要是由于Al2O3颗粒的弥散强化作用以及生成新的强化相磷化物所致。

本文在热作模具钢(H13)表面通过预置超细碳化钨合金层,通过高功率连续CO2宽带激光处理预置表面获得熔覆层.采用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察了熔覆层组织形貌,用X射线衍射仪(XRD)进行熔覆层物相分析,用X射线应力仪进行残余应力分析.测试了处理前后熔覆层显微硬度、耐磨性以及残余应力的变化.结果表明:激光处理后,表面平整光滑,组织细密,熔覆层组织由等轴晶、柱状树枝晶、细小的胞状晶和平面晶的结合带组成,厚度约为0.4mm,表面残余压应力得到显著提高,硬度为基体的1.8倍,耐磨性得到较大的提高.