针对离子束抛光光学元件过程中产生的边界效应问题，提出了基于多项式拟合延拓的抑制方法。利用多项式延拓方法对初始面形进行边界延拓，并对得到的延拓面形进行仿真，仿真后面形均方根值为5.20 nm。采用离子束抛光技术对100 mm口径的K9光学元件进行加工，加工后的面形均方根值由19.26 nm降至12.23 nm。选取加工后的面形8%作为边界面形，边界面形均方根值由137.23 nm降至56.72 nm，通过仿真和实验，验证了该方法的可行性。该研究可以为光学加工提供一种新的方法。

针对离轴抛物面镜离子束修形过程中存在的热效应累积和迭代加工效率问题,提出了将总去除量按一定比例划分的分批次加工与变束径加工相结合的方法,并采用该方法进行工艺实验探索。对口径为110 mm、曲率半径为1732.7 mm、初始面形峰谷值(PV)为0.525λ(λ=632.8 nm),均方根(RMS)值为0.025λ的球面镜进行分批次变束径离子束抛光实验,最终加工得到顶点曲率半径为1728 mm、离轴量为85 mm、PV为0.36λ、RMS值0.029λ的离轴抛物面镜。对实验过程及结果进行分析,证明分批次加工方法有效消除了离子束加工过程中的热效应,通过变束径局部精修加工的方法可以减少迭代加工次数,提升加工效率。

单晶硅反射镜是高能激光系统中的重要元件,其加工质量直接影响着高能激光系统的整体性能指标。针对单晶硅反射镜加工过程中产生的各类缺陷问题,本研究团队提出了采用超精密切削、浸没式抛光、磁流变抛光、离子束抛光等超精密加工方法来提升单晶硅元件的加工质量,并开展了相关研究。本文主要综述了本团队近几年在单晶硅制造技术领域取得的研究进展,包括单晶硅纳米精度表面控形制造技术、单晶硅纳米精度本征表面控性生成方法、纳米精度控形控性组合工艺等一系列关键技术。通过探讨高能激光单晶硅元件制造的现状与关键技术,为实现单晶硅元件纳米精度控形控性制造提供技术支撑。

为了提高光学元件的面形精度,精确拟合出离子束去除函数。以去除函数的方均根(RMS)为分析对象,分析不同叠加间距下离子束等量去除的去除量及波动量。根据理论及实验数据分析验证一维等量去除的可行性,得出最优叠加间距为σ。再以σ为叠加间距进行二维等量去除理论及实验分析,通过30 s熔石英二维等量去除实验,得出去除量为384.7 nm。结合抛光实验,对RMS值为138.5 nm的Φ100 mm口径的熔石英平面窗口玻璃进行面形修正,加工后RMS值为18 nm,面形收敛率达到7.82。

利用功率谱密度(PSD)评价光学表面粗糙度具有传统评价手段(Ra)所不具备的优势。给出了功率谱密度的计算方法, 以及抽样方向与一维PSD曲线的关系。在离子束抛光K9玻璃实验中引入PSD曲线, 以评价抛光光学零件的光学表面粗糙度, 结合PSD曲线与Ra值能够更全面的指导光学加工。

由于传统的离子抛光工艺采用的确定去除函数的方法操作复杂且成本很高, 本文提出了利用法拉第杯对离子束流空间分布进行测量、标定的方法, 并计算得到不同离子源工作参数对应的去除函数。首先, 基于离子束抛光材料去除原理, 研究了离子束抛光过程中束流分布与能量对去除函数的影响, 并提出简化的离子束抛光去除函数模型。然后, 设计实验并得出离子束流空间分布与去除函数相关参数间的关系, 计算得到了不同离子源工作参数产生的离子束流对应的去除函数。对硅和融石英玻璃的相关实验表明: 利用法拉第杯扫描结果计算相同材料的去除函数的单位时间体积去除率与实际测量值误差小于2%。结合抛光实验, 对Φ800 mm碳化硅表面硅改性层平面镜进行抛光, 得到的初始面形误差均方根(RMS)值为57.886 nm, 两次抛光后RMS值为11.837 nm, 收敛率达到4.89, 满足精密光学加工对去除函数的确定性及精度的要求, 并大大提升了确定去除函数的效率。

在离子束抛光设备研制过程中，离子源扫描运动方式的选择是很关键的，一般分为直角坐标方式扫描和极坐标方式扫描两种。根据两种扫描方式的特点，在极坐标系统下进行直角坐标扫描方式加工。该种方法采用直角坐标扫描方式下的驻留时间计算，算法相对简单。该种方法在极坐标系统下进行加工，同等情况下可加工圆形镜面的口径比直角坐标系统下更大些；而且离子源的可移动区域是一条直线，其余地方可以摆放其他设备，空间利用率较高。对这种新思路进行仿真分析，证实了其具有可行性。

在离子束抛光工艺中，驻留时间的求解是很关键的。通常求解驻留时间的时候，是用理想的高斯函数来近似实际的加工函数。如果使用实际的加工函数仿真加工，加工的效果不好。运用系数法和消去法的综合算法来提高采用实际加工函数仿真加工镜面面型的精度，首先多次用系数法得到比较理想且平滑的镜面面型，然后再用消去法精修面型。这种算法运算速度快，得到的面型精度高且较平滑。对这种综合算法进行仿真分析，比较了理想高斯函数与实际加工函数加工后的差别，同时比较了运用消去算法与综合算法得到的镜面面型，PV值由83.63 nm减小到46.92 nm，镜面精度提高了很多。