为了加工形貌稳定且尺寸尽可能小的纳结构,建立了一套连续激光复合微纳探针的加工系统,并研究了光纤探针导光的连续激光辐照微纳探针的近场增强效应以及该系统的加工性能.首先,根据表面等离子体激元理论仿真分析了激光辐照原子力显微镜(AFM)探针的近场增强因子,并研究了微纳探针的针尖温度场和针尖热膨胀.接着,搭建了基于光纤探针导光的连续激光复合微纳探针的纳结构加工系统.最后,对聚乙烯片状材料样品进行了纳结构加工.结果显示:加工得到的纳米点尺度为200 nm左右;纳米线的尺度为30~40 nm.结果表明:光纤探针导光连续激光复合微纳探针系统避免了复杂的空间光路结构,是一种成本低廉,结构简单的系统,能够实现纳结构的加工.

设计了一套用于导弹精确制导的激光及可见双模导引头, 采用RC复杂化设计双路共用主、次镜和多次光路折转的形式来减小结构体积。激光光路设计焦距为300 mm、视场为0.6°, 用于激光引导后最终目标的确认; 可见光光路焦距为100 mm、视场为3°, 用于较大区域内初始目标的搜索。设计过程采用计算机软件进行优化分析, 总质量控制在600 g以内, 在满足体积小、质量轻的同时确保了热稳定性和结构可靠性。环境试验结果表明, 可见光路的光学传递函数优于0.3@50 lp/mm, 满足最终使用要求。

为了增强玻璃质材料的表面强度，研究了表面强度变化的主要工艺阶段，根据所得表面强度值绘出了工艺变化曲线。分析了表面强度降低的主要原因，提出了相应的解决办法。阐述了用腐蚀法去除应力集中及最大压应力增强玻璃表面强度的理论，并分析了不同去除模式对脆性材料表面强度的影响。最后，介绍了柔性研磨方式，给出柔性研磨方式的工艺控制条件。总结出不同非成像表面相应粗糙度基本要求，并提出了相应的加工工艺办法。实验结果表明，应用去除速率≤25 μm/h及磨料粒度≤15 μm的柔性研磨可以得到类似抛光的表面。柔性研磨方式使表面最大压应力增大，并能够避免危害表面强质的纵向显微裂纹产生，从而提高玻璃的表面强度。

多模式组合抛光大口径光学元件是提高加工效率和加工精度的有效方法。作为加工系统的重要组成部分,抛光机械手的设计是实现多模式加工的关键。分析了多模式加工的主要运动方式,提出了对抛光机械手的具体要求。设计了一种5自由度抛光机械手,介绍了其主要结构。由D-H法建立了机械手的坐标系,推导出其位姿方程并求得逆解,为后续控制系统的设计奠定了基础。

为了满足大口径非球面光学元件加工的需求，提出了用多模式组合加工(MCM)技术修正大口径非球面反射镜环带误差的方法。本文讨论的MCM技术以经典加工工艺为基础，采用抛光盘的多工位加工和抛光模式的组合完成光学元件的抛光，实现对光学表面中低频段误差的有效控制。介绍了MCM技术的重要组成部分JP-01抛光机械手的工作原理，分析了MCM的工作模式。采用MCM技术对Φ1 230 mm的非球面反射镜进行环带误差的修正，给出了镜面面形检测结果。实验结果表明,MCM技术可以有效地控制光学表面的中低频误差，使光学表面误差得到有效收敛，从而显著提高抛光效率。目前，采用MCM技术加工1~2 m口径的同轴非球面,其精度可以达到30 nm(RMS)。

研究了影响玻璃质光学元件表面质量的主要因素，认为表面微裂纹是表面强度改变的主要原因。用机械磨削初成形工艺方法分析研究了表面微裂纹产生的原因；通过裂纹尖端应力集中及Griffith能量平衡理论，分析了裂纹扩展方式；结合表面结构缺陷理论及研磨处理表面微缺陷工艺，阐述了HF腐蚀法对微裂纹的去除机理及效果；最后，综述了通过生产工艺提高玻璃强度的方法，重点讨论了离子交换法，镀膜法和HF腐蚀法等表面处理技术,指出使用HF腐蚀法去除表面微裂纹更适用于玻璃质光学元件的表面加工。

为满足大口径光学元件多模式组合加工技术(MCM)的需要，研制了JP-01型数控抛光机械手。该机械手采用柱坐标结构，ρ-θ极坐标运动方式，ρ、θ两轴联动完成MCM加工所需各种运动。运用齐次坐标变换理论和Preston 方程，在分析机械手抛光过程中工件表面上任意一点的相对速度、压强及抛光时间的基础上，建立了机械手抛光的材料去除数学模型，同时求解了JP-01型机械手的位姿转换矩阵。运用所建立的数学模型对MCM加工中修正环带误差和局部误差时单个抛光盘常用运动模式的材料去除特性进行了计算机模拟。应用JP-01型机械手对一口径为240 mm，F数为1.5的球面反射镜进行了确定性抛光实验，最终面形精度达到14.6 nm(RMS)。实验表明，所测得数据与理论分析数据吻合，建立的数学模型能真实反映材料去除分布特性，可以指导抛光实现确定性加工，JP-01型机械手能够提供MCM加工所需运动形式。

为了完善环带抛光技术并指导加工，根据Preston方程建立了材料去除量的理论模型。考虑环带抛光技术中的影响因素，如抛光盘与工件之间的转速比、偏心距及压强分布等参数，建立了材料去除量与各影响因素之间相互关系的数学模型。理论分析和实验结果显示，转速比、偏心距和压强分布对磨削量均有影响，材料的去除效率随转速比和偏心距增加而增大，转速比越接近于1，磨削越均匀；工件露边时，工件露出部分材料的去除效率急剧下降。实验结果表明，通过对该理论模型中相关技术参数的研究来完善环带抛光技术，有效地提高了抛光的效率及稳定性。