Diamond is a promising material for the modern industry. It is widely used in different applications, such as cutting tools, optical windows, heat dissipation, and semiconductors. However, these application areas require exceptionally flattened and polished diamond surfaces. Unfortunately, due to the extreme hardness and chemical inertness of diamond, the polishing of diamond is challenging. Since the 1920s, various conventional and modern mechanical, chemical, and thermal polishing techniques have been proposed and developed for finishing diamond surfaces. Therefore, to impart proper guidance on selecting a good polishing technique for production practice, this paper presents an in-depth and informative literature survey of the current research and engineering developments regarding diamond polishing. At first, a brief review of the general developments and basic material removal principles is discussed. This review concludes with a detailed analysis of each techniques’ polishing performance and critical challenges, and a discussion of the new insights and future applications of diamond polishing.

为了实现对工件表面的超精密抛光, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先, 根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着, 对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真, 对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后, 用TiO2纳米颗粒胶体作为抛光液, 用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后, 对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明: 相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73 m/s)和动压力(2.5 MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12 m/s)和动压力(0.2 MPa), 纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005 s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023 s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810 nm, Ra=0.651 nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。

为了实现亚纳米级超光滑表面的加工, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统, 同时研究了加工过程中纳米颗粒与工件表面间的相互作用机理。首先, 对实验所用锐钛矿TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面进行表征测量。然后, 用第一性原理的平面波赝势计算方法研究了纳米颗粒胶体射流加工中TiO2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量。最后, 开展了TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面间的吸附实验。实验结果表明: 胶体中的OH基团在TiO2团簇表面及单晶硅表面分别发生化学吸附, 在TiO2纳米颗粒及单晶硅表面吸附过程中形成了新的Ti-O-Si键及化学吸附的H2O分子。红外光谱实验结果显示:TiO2纳米颗粒与单晶硅界面间存在新生成的Ti-O-Si键。这种界面间的相互作用证实了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程可实现材料去除的化学作用机理。

为了实现高次回转对称非球面的全口径超光滑加工，对磨头的运动控制算法进行了研究。介绍了超光滑加工的基本原理以及相应数控机床的机构，并对其光学表面的创成方式进行了描述。为了精确控制磨头的运动轨迹，提出了非球面驻留点的等误差递推求解算法进而分析了轨迹误差。计算了磨头位于不同位置时去除率的分布情况，并建立了驻留时间数学求解模型。在自研设备上对口径为150 mm，非球面度为116 μm的样件进行了超光滑加工。表面粗糙度方均根值由1.523±0.045 nm降低至0.399±0.0238 nm且分布均匀。实验结果表明，利用该算法可以精确控制磨头的运动轨迹，从而保证表面粗糙度的均匀一致。

对两个通光面均为超光滑表面的双面对称角度楔形镜的加工提出了一种新工艺方法, 并根据零件的特点对工艺方法进行了改进。利用组合楔板工装、粘接上盘等方式对零件进行成盘加工, 不仅使零件的角度、厚度得到了很好的保证, 而且还避免了光胶上盘对已加工表面的损伤, 使通光面的疵病、面形、粗糙度、一致性等指标有很大的改善, 超光滑表面粗糙度rms均优于0.2 nm (AFM测量), 表面疵病达到0级, 角度精度达到±15″, 一次交检合格率达到85%以上, 有效地解决了生产中的瓶颈问题。

为了解决新型优质光学材料—反应烧结碳化硅(RB-SiC)由SiC和Si两相结构引起的光学表面缺陷问题，提出了反射镜表面改性方案并且从加工工艺的角度介绍了改性工艺流程。以空间反射镜的使用环境为依据，对几种适用的RB-SiC改性材料进行了较为全面的分析比较。本文采用新的离子辅助沉积碳化硅(IAD-SiC)材料为改性层，对改性层的表面形貌及部分性能进行了测试，证明IAD-SiC膜层能够满足改性要求。在厚度为(6±0.5) μm 的IAD-SiC膜层表面进行了一系列抛光工艺实验，文中给出了超光滑表面抛光工艺参数和实验结果。对改性层进行精抛光后，100 mm口径样片的面形精度为0.033λ RMS(λ=632.8 nm)，表面粗糙度优于0.5 nm RMS。结果表明，本方法不仅可以很大程度提高元件表面质量，还可以进一步精修面形，为超光滑、低散射RB-SiC反射镜的加工提供了一条可行途径。