为实现光学元件磁流变高精度加工,基于脉冲迭代原理,提出基于粒子群算法的驻留时间优化方法。该方法在脉冲迭代法的基础上引入粒子群算法对整体面型残差进行优化,通过对整体驻留时间的判定,从而实现每个驻留时间点的最优选择,达到高精度面形加工。通过对Φ156 mm光学表面仿真加工,均方根(RMS)值和峰谷(PV)值从初始的169.164和1 161.69 nm收敛到23.492 5和807.215 6 nm。仿真结果表明,该算法能在保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,能有效降低中频误差,其算法性能优于常用的脉冲迭代法。该算法为磁流变抛光光学元件过程中的驻留时间计算提供了一种解决方案。

提出一种针对高陡度非球面元件表面中频误差的主动平滑技术。通过构建离轴高陡度非球面平滑加工接触模型, 获得加工过程中的不吻合度分布, 设计主动平滑工具。采用有限元分析方法模拟主动平滑过程中磨盘材料、厚度及结构之间的关系, 获得优选的主动平滑参数。实验结果验证了计算模型的准确性及主动平滑技术对于高陡度非球面元件的中频误差具有更好的平滑效果。

在计算机控制光学表面抛光中,高斯形状的去除函数是一种理想的去除函数,然而传统的双转子运动抛光产生的去除函数与高斯形状有较大偏差,不够平滑,因此会在被抛光表面引入较大的中频误差,影响高功率激光系统的性能。针对该问题,在传统双转子抛光的基础上,本文提出了偏心双转子运动抛光技术,并建立了数学模型。理论分析表明,偏心双转子抛光可以产生更加接近高斯形状的去除函数。对各关键参数进行优化,理论上获得了拟合优度(R²)达到0.9986的高斯型去除函数。进行了偏心双转子定点抛光实验和光栅轨迹数控抛光实验,定点抛光实验中获得了R²=0.9895的高斯型去除函数,验证了理论分析的正确性;光栅轨迹数控抛光实验证明了偏心双转子抛光技术较传统双转子抛光技术对中频误差有更好的抑制作用。

针对高功率激光系统中传统小工具抛光方式带来的较大中频误差影响高功率激光系统稳定性和可靠性的问题,提出了基于简谐运动的复合摆动轨迹抛光方法,并建立了数控多杆机构复合摆动轨迹抛光系统;根据小工具抛光基本原理可知,规则、有序的平转运动轨迹是引入中频误差的重要原因之一。为了提高生成去除函数轨迹的复杂性,提出了基于复合摆动轨迹的去除函数模型,研究了复合摆动轨迹抛光的基本过程和离散化计算方法;选择合适的工艺参数和去除函数轨迹,进行了基于复合摆动轨迹的去除函数与基于传统平转运动的去除函数的对比加工实验。结果表明:通过干涉仪测量可知,复合摆动轨迹加工方法得到的面形干涉条纹比平转运动的更光顺,且无毛刺;在50 mm×50 mm范围内,复合摆动轨迹加工面形的功率谱密度曲线低于平转运动的功率谱密度曲线,整体加工效果优于传统平转运动;基于复合摆动轨迹的数控多杆抛光系统相对于传统平转工艺能有效抑制中频误差。

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响, 针对该问题, 提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术, 用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析, 并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟, 对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明: 采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差, 加工的两件460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%, 达到2.835 nm, 并且PV小于0.16λ(632.8 nm), RMS小于0.02λ。

为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配, 本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导, 并与传统的误差均方根(RMS)进行比较, 表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异, 得出在较小尺度下, 系统的误差分布可以较好的服从正态分布, 而随着尺度的增加(如大于100mm)会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质, 提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity , PSSn), 建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系, 通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后, 根据本文所提出的方法, 对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配, 得到在大尺度均方根为25nm, 粗糙度为1nm,中频尺度为250mm, 大气相干长度为0.4m(检测环境)的要求下, 该系统的结构函数满足要求, 同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5, 同样满足要求。

为了确认抛光过程中抛光盘大小对光学元件表面中频误差的影响，对双轴式平面研磨抛光的去除特性进行了分析。推导了去除函数的表达式，计算了抛光盘大小对元件的去除量以及其分布的影响。结果表明，不论抛光盘大小如何改变，回转中心的去除量总是最大，去除量最大区域所对应半径随着抛光盘半径的增大而增大，利用这一关系确定了导致中频误差产生的磨头尺寸。通过选择合适的抛光盘尺寸，可以对最大去除量区域范围进行控制，从而有效减少工件在研磨抛光过程中中频误差的产生。

为了利用磁流变加工实现对大口径平面光学元件波前中频误差的控制, 研究了磁流变抛光去除函数的频谱误差校正能力和磁流变加工残余误差抑制方法。首先, 比较了模拟加工前后元件中频功率谱密度(PSD1)误差和元件PSD曲线的变化, 分析了磁流变去除函数的可修正频谱误差范围。然后, 利用均匀去除方法分析了加工深度、加工轨迹间距和去除函数尺寸等磁流变加工参数对中频PSD2误差的影响, 提出了抑制中频PSD2误差的方法。最后, 对一块400 mm×400 mm口径平面元件的频谱误差进行了磁流变加工控制实验。实验显示: 3次迭代加工后, 该元件的波前PV由加工前的0.6 λ收敛至0.1 λ, 中频PSD1误差由5.57 nm收敛至1.36 nm, PSD2由0.95 nm变化至0.88 nm。结果表明: 通过优化磁流变加工参数并合理选择加工策略, 可实现磁流变加工对大口径平面光学元件中频误差的收敛控制。