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。

发展了大气等离子体抛光方法,并用于超光滑表面加工.该技术基于低温等离子体化学反应来实现原子级的材料去除,避免了表层和亚表层损伤.运用原子发射光谱法证明了活性反应原子的有效激发,进而揭示了特定激发态原子对应的电子跃迁轨道.在针对单晶硅片的加工实验中,应用有限元分析法在理论上对加工过程中的空间气体流场分布和样品表面温度分布进行了定性分析.后续的温度检测实验证实了样品表面温度梯度的形成,并表明样品表面最高温度仅为90 ℃.材料去除轮廓检测结果符合空间流场的理论分布模型,加工速率约为32 mm3/min.利用原子力显微镜对表面粗糙度进行测量,证实了加工后样品表面在一定范围内表面粗糙度Ra=0.6 nm.最后,利用X射线光电子谱法研究了该方法对加工后表面材料化学成分的影响.实验和检测结果均表明,该抛光方法可以进行常压条件下的超光滑表面无损抛光加工,实现了高质量光学表面的无损抛光加工.