光学玻璃以其优异的物理性能被广泛应用于航天、信息、能源、化工、微电子等领域。随着这些领域的不断发展,传统技术已无法满足日新月异的光学元件超光滑表面加工的要求。为此,需要针对光学玻璃表面的超精密抛光加工展开深入且广泛的研究。在诸多有关超精密抛光加工技术的研究中,光学玻璃材料的抛光去除机理始终是人们的研究重点。为此,本文从超抛加工涉及的基本组件、材料去除的物理机理、材料去除的化学机理三个方面入手,对光学玻璃超精密抛光加工中材料去除机理进行综述,目的是掌握国内外学术界对于该问题的认识,并据此提出若干问题的思考,以期指导工程实践,进一步提升超光滑表面的成形能力。

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。

钛宝石晶体是超强、超短脉冲激光振荡源广泛采用的工作物质,其口径大小和表面全频域波面误差决定了超短、超强激光系统的输出能量和光束质量,然而由于大口径钛宝石晶体光学均匀性差及硬度高的特点,其实现高精度透射波前和超光滑表面加工很具挑战性。针对这一问题,设计了线偏振干涉光源检测方法,解决了钛宝石晶体双折射导致的透射波前检测干涉条纹无法解析的问题;基于对钛宝石晶体材料光学均匀性的检测分析,发展了基于单轴机的透射波前快速抛光收敛工艺;通过正交实验和灰关联分析法,利用小磨头抛光工艺实现了钛宝石晶体高精度透射波前低频误差和超光滑表面高频误差的加工;为改善中频误差,发展了基于硅溶胶抛光液的小磨头中频误差光顺工艺。实验结果表明:多手段组合的加工工艺可以实现大口径钛宝石晶体全频域透射波前误差的有效控制,针对直径为120 mm的钛宝石样件,透射波前峰谷值可达0.283λ(λ=632.8 nm),中频功率谱密度无明显的特定频段调制误差,高频表面粗糙度Rq约为0.262 nm,可达到超光滑量级。

零件表面形貌是工件在不同加工过程中形成的结果。通过对表面疵病宏观与微观形貌研究,以实现对加工过程中产生疵病源头准确定位与控制。依据超光滑表面疵病特点,提出了有针对性的疵病两步测量法,设计了激光辅助显微镜检测设备检测疵病的形状、位置及方向等宏观特征;再采用白光干涉仪和原子力显微镜对这一疵病进行了深入的微观形貌检测,实现了对最大深度0.1 μm疵病的检测。两步测量法可以有效地控制并检测超光滑表面的疵病。

采用射频磁控溅射技术在RB-SiC表面沉积Si平坦化层, 通过正交试验研究了射频功率、Ar流量和工作气压三个因素对薄膜表面质量和形貌的影响规律, 以获取最佳的薄膜沉积参数.射频功率120 W、工作气压1.2 Pa和Ar流量40 sccm条件下获得了最佳质量的平坦化样品, 利用电感耦合等离子体对平坦化膜层进行刻蚀抛光, 通过Lambda950分光光度计测试不同工艺阶段样品表面的反射率.结果表明, 相比于未处理的RB-SiC初始样品, 经过平坦化和等离子体刻蚀的样品表面粗糙度标准差值由1.819 nm减小至0.919 nm, 样品表面反射率相应地提高了2%.由此说明射频磁控溅射平坦化沉积与电感耦合等离子体刻蚀的组合工艺可实现RB-SiC表面的高质量加工.

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。

从传统光学冷加工的原理出发,分析了传统接触式加工方法中抛光剂与材料去除深度的理论关系,设计了微晶玻璃超光滑抛光过程中的抛光剂选型试验。通过比较基片的表面质量,摸索出适合微晶玻璃超光滑抛光的最佳抛光剂为金刚石微粉,成功加工出了超光滑微晶光学元件,其表面粗糙度达到0.2 nm。

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。

为了精确控制超光滑加工过程中磨头的运动轨迹, 从而实现光学元件材料去除的均匀稳定, 研究了超光滑加工的后置处理算法。分析了超光滑加工工艺的特点和相应的超光滑机床的机械结构, 建立了机床的坐标系统, 构造了机床的运动学模型。对于光学元件母线为任意平面曲线的情况, 研究了磨头运动轨迹的等误差直线逼近算法。在曲率半径为290mm, 相对口径为1∶2.9的凹球面上进行了超光滑加工实验。结果表明, 利用所述算法可以精确地控制磨头的运动轨迹, 从而保证材料去除的稳定性。