熔融石英玻璃因具有耐热性高、热膨胀系数低、绝缘性能好等优点, 广泛应用于航空航天、微光学元件、**等领域, 并对其加工精度和表面质量提出了更高的要求。由于飞秒激光具有“冷加工”的特点, 因此在熔融石英玻璃微纳加工方面展现出独特优势。采用波长为1030nm、重复频率为100kHz、脉宽为290fs的飞秒激光对熔融石英玻璃进行加工, 确定了不同物镜下熔融石英玻璃的损伤阈值, 研究了不同物镜下的激光功率、扫描速度、离焦量、扫描次数对加工线槽的影响, 使用逐层叠加加工的方法在低功率下得到了高深宽比(4∶1)的线槽, 并且提高加工线槽的宽度与深度的可控性, 可以在较薄熔融石英玻璃(200μm)上进行微纳加工。

针对硬质材料高数值孔径（NA）微透镜阵列制备难的问题，提出一种基于像差的自调制激光加工方法。该方法将飞秒激光聚焦于石英衬底的下表面，能够实现对激光焦点的纵向拉伸，结合氢氟酸溶液湿法刻蚀实现了具有高数值孔径微透镜的制备。结果表明，利用该技术通过改变单脉冲能量能够对微透镜形貌进行调控，在此基础上进一步优化离焦位置，有效地增大了微透镜的数值孔径，制备出达到理论极限（NAmax=0.46）的高数值孔径石英微透镜。相对于传统的正面加工方法，所提方法方式不仅提升了微透镜的数值孔径，而且无需复杂的光调制系统，对于高性能硬质材料微透镜阵列的制备与实际应用具有重要的意义。

半球谐振子是高精度半球谐振陀螺的核心部件, 特征为熔融石英材料薄壁Ψ型复杂结构件, 其加工方法和制造精度是制约陀螺性能和产量提升的技术瓶颈。为解决石英谐振子异形复杂球面加工难题, 从工程应用出发综合考虑了谐振子加工参数要求, 分析探讨了谐振子球面加工涉及的球面展成、轨迹磨削、磁流变抛光等工艺方法及技术可行性, 提出了采用小直径球形砂轮的全包络轨迹磨削加工方法。研究结果表明, 满足工程使用需求的谐振子加工后, 内外球面圆度小于3 μm, 同心度小于2 μm, 表面粗糙度小于0.2 μm, 品质因数Q＞1×107, 显著提高了半球谐振陀螺随机漂移精度。

通过XRD分析和热膨胀率实验, 从析晶角度探讨了添加纳米级SnO2或Yb2O3对熔融石英陶瓷析晶性能的影响。结果表明: 熔融石英陶瓷高温析晶的主要晶化产物为方石英, 方石英析出量随烧结温度的提高而逐渐增多; 纳米级SnO2或Yb2O3的引入可通过抑制熔融石英中方石英的析出, 有效地降低熔融石英材料在升温过程中的热膨胀率, 并且随着烧结温度升高需要不断调整添加剂用量, 纳米级SnO2和Yb2O3的最佳用量(质量分数)分别为1%和2%。

本文研究引入纳米氧化镱对熔融石英析晶机制及动力学过程的影响。通过X射线衍射仪(XRD)测试结果分析了纳米氧化镱的引入对熔融石英陶瓷析晶率的影响，采用动力学方法分析了纳米氧化镱的引入对熔融石英陶瓷析晶机制的影响，同时探讨了其等温析晶动力学过程。研究表明，熔融石英陶瓷的晶粒向二维兼有一维及三维的方式生长，引入纳米氧化镱的熔融石英陶瓷的晶粒则向二维兼有三维的方式生长; 试样B和试样Y的析晶活化能E分别为874 kJ/mol和1 188 kJ/mol。在熔融石英陶瓷中引入纳米氧化镱能够大幅度减少SiO2玻璃脱玻为方石英的“活性成核点”，增加玻璃表面结构稳定性，提高析晶活化能，大大降低熔融石英的析晶率。

熔融石英光学元件的亚表面缺陷直接影响着其成像质量及激光损伤阈值等指标。相比缺陷的二维截面大小以及深度信息,亚表面缺陷三维轮廓及缺陷体积的定量检测结果可以用来更准确地评估熔融石英光学元件的加工质量。结合共聚焦显微镜的成像原理,使用共聚焦显微镜进行了熔融石英样品层析扫描实验。通过对亚表面缺陷图像特点的分析,提出了适用熔融石英元件亚表面缺陷的三维重建算法。提出的算法在亚表面缺陷重建效率与精度上均优于其他三维重建方法。根据重建后缺陷的统计结果,定量获得了熔融石英样品亚表面缺陷的完整三维信息。

为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题，提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺，并应用于熔融石英玻璃抛光加工，通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析，从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理；从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明：加工过程中，在法向力和剪切力作用下，CeO2磨粒和熔融石英发生化学反应，CeO2将SiO2带出玻璃，实现材料去除；同时，压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式，温升和排屑成为决定去除效率的关键。

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出, 已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计, 运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定, 同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能, 衍射效率达到91.2%(TE模式), 同时压缩其他衍射级次, 使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率, 实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率, 易于调节, 满足光谱合束技术的要求。

利用Cu2+离子注入的方式在熔融石英和石英晶体上分别制备了平面光波导结构.通过棱镜耦合实验测试了两种光波导的导模特性, 结果表明：在同样的注入条件下熔融石英上形成了增加型的光波导结构, 而石英晶体上形成了位垒型的光波导结构.研究了退火温度对两种光波导导模折射率的影响, 熔融石英光波导中导模的折射率随着退火温度的升高而降低, 而石英晶体光波导中导模的折射率随着退火温度的升高先增加后降低.为了进一步分析离子注入两种材料形成光波导的微观机理, 利用SRIM模拟了Cu2+离子注入两种材料的电子能量损失和核能量损失, 并且模拟了两种光波导结构的折射率分布.模拟结果表明：熔融石英光波导的主要形成原因是离子注入表面的折射率大于其体材料的折射率, 而石英晶体光波导的主要形成原因是离子射程末端的折射率小于其体材料的折射率.因此, 在熔融石英光波导的形成中电子能量损失起主要作用, 而在石英晶体光波导的形成中核能量损失起主要作用.