对熔石英材料的光学特性进行研究, 利用分光光度计得到了不同波长下元件的光透过率、吸收率及其变化规律。通过熔石英材料纳米压痕实验, 研究了熔石英材料的机械特性, 得到了熔石英晶体的弹性模量和材料硬度。研究了熔石英材料的断裂特性, 分析熔石英光学元件超精密加工亚表层损伤形成机理, 对亚表层损伤裂纹的结构、组成以及裂纹扩散的形成过程进行了分析和研究。利用纳米压痕实验, 模拟研磨加工时, 材料表面受单颗粒磨粒静态压印和动态冲击时形貌演变的过程, 得到了维氏硬度、断裂韧性及临界压力载荷。

为深入了解熔石英元件化学刻蚀过程，研究了HF刻蚀反应机理、HF刻蚀工艺参数以及刻蚀对表面质量的影响规律。通过控制变量法，获得刻蚀速率随HF浓度、刻蚀温度以及NH4F浓度的变化规律。对刻蚀不同深度后的元件表面粗糙度、形貌、杂质含量以及激光损伤阈值进行了检测，实验结果表明：刻蚀速率受多种因素共同影响，其中HF浓度的促进作用最为显著；刻蚀后的熔石英表面形貌复杂，有横向、纵向、拖尾等形式的划痕，以及坑点、杂质等缺陷，其中横向划痕和纵向划痕占据了缺陷部分的主体，主要杂质铈元素随刻蚀时间的增长不断减少；激光损伤阈值测量实验表明，通过HF刻蚀将元件损伤阈值提高了59.6%。

基于压痕实验和连续刚度测量法得到了熔石英材料硬度和弹性模量随压入深度的变化曲线,系统分析了材料由延性到脆性转变的过程,确定了熔石英晶体在静态/准静态印压和动态刻划时产生裂纹的临界载荷和临界深度。渐变载荷刻划实验结果表明,划痕过程诱发的裂纹对法向载荷有很强的依赖性,载荷较小时材料去除方式为延性域去除。随着法向载荷的增加,首先产生垂直于试件表面的中位裂纹和平行于试件表面方向扩展的侧向裂纹,而在试件表面上并没有产生明显的特征。载荷进一步增加后,侧向裂纹扩展并形成了明亮区域,最终诱发了沿垂直于或近似垂直于压头运动方向扩展的径向裂纹,实现了材料的脆性去除。

根据工件与抛光盘的相对运动关系及熔石英元件抛光加工材料去除模型，系统分析了转速比和偏心距等参数对材料去除函数的影响。通过理论分析和抛光加工实验，研究了不同工艺参数对低频段面形精度的影响规律。利用高分辨率检测仪器对熔石英元件低频面形误差进行了检测，优选出较佳的抛光工艺参数组合，并进行了相应的实验验证，提出了提高光学元件抛光加工低频面形质量的相应措施。

熔石英光学材料是一种高新技术产品，在现代各领域的应用越来越广泛，特别是航天航空等领域具有大量应用需求。由于其产品的制造难度较大，因此其成品质量的高低就成为人们最为关注的问题，其中尤以亚表层损伤的问题至关重要。论述了几种常用的亚表层损伤检测方法和原理，分析了其优缺点。在此基础上说明了使用荧光共聚焦显微技术来检测光学元件亚表层损伤的可行性和准确性。使用共聚焦激光扫描显微镜对熔石英玻璃试件的亚表层损伤进行了检测实验。对比了角度抛光法所得到的两种荧光量子点亚表层损伤深度，可以明确在一定的加工条件下亚表层损伤的分布情况。使用图像处理软件Image-Pro Plus 6.0 分析了亚表层损伤的分布图像及分布密度，定量的给出了亚表层损伤的基本规律。

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。

微晶玻璃是制造大型空间望远镜、激光陀螺仪的重要材料，但微晶玻璃在超精密加工的过程中，工件内部会产生亚表层损伤，制约了微晶玻璃的光学性能。利用压痕法研究微晶玻璃产生裂纹脆塑转变临界条件，并在此基础上利用循环纳米压痕实验，研究了加工疲劳对材料脆塑转变的影响规律，以及疲劳状态下微晶玻璃临界压力的变化规律和疲劳因素对临界磨削深度的影响。研究结果表明，磨削循环过程使工件表面产生累积的机械损伤，致使微晶玻璃材料断裂韧性减小，导致塑性域降低；微晶玻璃材料表面产生裂纹的临界压力载荷与循环次数有关，循环次数越多，临界压力载荷越小。在此理论基础上确定了脆塑转变临界磨削条件。研究结果为改善光学元件的表面质量提供了一定的参考。

分别使用2维和3维分形方法对单点金刚石车削加工的KDP晶体表面形貌进行了分析,并对表面的3维分形维数和3维粗糙度表征参数进行了比较,分析了二者对表面形貌表征的差异.使用2维轮廓分形方法计算了KDP晶体表面圆周各方向上的分形维数.通过分析得出:3维分形维数与表面粗糙度值成反比关系;使用单点金刚石车削方法加工KDP晶体会形成各向异性特征明显的已加工表面,在一定程度上容易形成小尺度波纹;已加工表面是否具有明显的小尺度波纹特征与表面粗糙度值并无直接关系,但与其表面轮廓分形状态分布密切相关;KDP晶体表面2维功率谱密度与其分形状态具有相近的方向性特征.

采用单点金刚石切削的方法加工了KDP晶体，利用回归分析的方法建立了表面粗糙度预测模型，达到了在加工前设计、预测和控制表面粗糙度的目的。利用预测模型分析了进给量、切削速度、背吃刀量对表面粗糙度的影响。通过优化设计获得了KDP晶体在该条件下的最佳切削参数，得到的表面粗糙度的最佳估计值为6.3389nm。利用最佳的切削工艺参数，加工出了表面粗糙度值为6.895nm的超光滑表面。

提出了压痕实验与有限元仿真结合的方法.它采用压痕深度与有限元仿真深度进行对比,可求解出KDP晶体的塑性特性参数.建立了KDP晶体塑性域切削的有限元模型,并用该模型仿真研究了切削参数对KDP晶体表面形成过程的影响.结果表明,在刀具前角为-40°左右时,工件表面质量可达到最佳值.研究还发现,当刀具刃口半径为80nm时,其能够产生切屑的最小切削厚度在10nm-30nm之间,此时法向切削力与主切削力之比为0.96,该结论对KDP晶体超光滑表面的获取有着重要指导意义.
关键?剩?/strong>KDP晶体;超精密加工;单点金刚石车削;模拟