为了提高光学加工效率, 缩短大口径光学元件制造周期, 本文提出了一种具有公自转运动模式的新型高效抛光方式, 对其结构、工作原理以及去除特性进行了研究。首先, 介绍了公自转抛光装置机械结构及工作原理。接着, 根据Hertz接触理论和Preston方程进行了去除函数建模, 讨论了不同转速比情况下的去除函数形状。然后, 根据理论模型进行了去除函数实验、工艺参数实验以及稳定性实验, 研究了压入深度、转速等工艺参数对去除结果的影响。最后, 进行了200 mm口径SiC工件的仿真加工。实验结果表明: 在2 mm压入深度、200 rpm转速情况下, 去除区域直径为1923 mm, 体去除率达到0197 mm3/min, 去除效率高于同等去除区域大小的传统小磨头加工方式; 仿真加工结果表明: SiC仿真镜经过37 h加工, 面形从3008λPV, 0553λRMS提高到0065λPV, 0005λRMS, 收敛效率为达到9818%。

回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)的光学谐振腔作为光学研究的重要工具具有广泛的应用前景。以超纯单晶氟化钙为材料加工了直径为5 mm，厚度为1 mm的CaF₂盘型腔，并用化学机械抛光法对其进行了光学抛光,得到了粗糙度为纳米级别的CaF₂盘型腔。搭建盘腔与锥形光纤的耦合测试平台测试所加工盘型腔的光学性能，测得在波长为1 550 nm时所加工的盘型腔的品质因数为2.1×10⁶。对CaF₂盘型腔损耗机制进行了理论分析，提出了提高CaF₂盘型腔品质因数的方法。

根据大口径非球面光学元件研抛工艺的需求，基于行星式研抛装置设计了一种新型的双路气压平衡研抛压力控制系统。该系统利用低摩擦气缸,压力传感器和两个电气比例阀构建研抛气压闭环回路。分析了系统工作原理，建立了压力控制系统的非线性模型。为了实现恒压控制，运用前馈控制及双模态PID控制算法设计了复合控制器。实验结果表明，该系统能实现研抛压力的平缓过渡，可完成研抛压力的无级调节和柔性控制，输出研抛压力在0到350 N可调，稳态压力波动小于1 N，对气缸活塞位移波动干扰有较强的鲁棒性。该系统基本满足研抛系统对研抛压力稳定性和精确度的要求。

单点金刚石车削铝合金表面具有较好的表面质量和精度, 但车削“纹路”会产生散射现象, 难以满足高品质光学系统要求。对铝合金表面进行直接光学抛光可以去掉表面产生的车削“纹路”, 提高反射表面的光学性能, 分析酸性条件下和碱性条件下的铝镜抛光原理, 采用新型抛光盘与抛光液对单点金刚石车削后铝合金表面进行抛光实验。实验结果表明: 通过合理控制工艺参数, 能够消除铝合金表面残留的周期性车削刀纹, 并且不会产生新的表面划痕, 得到较好的铝镜光学表面质量, 测得的铝镜表面粗糙度Ra=2.6 nm。

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题，轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一；提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性，采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验，经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差(RMS)由初始的0109 λ提高到0028 λ，平均每次收敛率达到13。实验结果表明，应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形，面形收敛速度较快，加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力，为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。

研制了四种不同沥青和松香含量的光学沥青抛光胶，对其形貌、针入度、玻璃化转变温度、软化点和粘度等参量进行了表征。从组成和结构分析了抛光胶三种物理状态变化原因，将玻璃化转变温度和软化点作为其临界转变温度。实验研究了四种抛光胶对大口径激光玻璃的抛光效果，发现抛光胶中沥青和松香的质量分数分别为30%和70%时，抛光效果比较理想，在像散和表面疵病控制方面能够满足要求，可作为大口径激光玻璃抛光专用胶。

摩擦系数是表征光学玻璃抛光特性的重要参量，平均摩擦系数决定了抛光速率，摩擦系数的变化范围影响光学玻璃的面形精度和表面粗糙度。通过正交实验，研究了抛光过程中实验因素对磷酸盐激光玻璃和光学沥青抛光胶之间摩擦特性的影响。极差分析结果表明，实验因素对平均摩擦系数大小和摩擦系数变化范围影响的显著程度相同。其中，加载压力影响较大，而沥青抛光胶胶号影响较小。在本实验中高的平均摩擦系数对应着大的摩擦系数变化范围。另外，从粘滑摩擦、粘附、磨料磨削和抛光液液膜方面进行了分析，对引起摩擦系数随时间变化的诱因进行了探讨。

为提高碳化硅非球面反射镜的加工质量, 对加工中涉及的固着磨料工艺去除函数进行了研究。在早期的实验中测试了圆形丸片的去除函数, 引入填充因子的概念来评价实验所获得的去除函数, 定量获得了丸片结构与填充因子之间的关系。为了提高填充因子和磨盘的加工特性, 根据圆形丸片的实验结果优化了磨头的结构并基于Matlab软件模拟了新型磨头的去除函数。在全口径范围考察了磨头工作的稳定性, 并在相同加工参数条件下完成了固着磨料和散粒磨料的加工实验。为了对理论模拟和实验结果进行比较, 引入结构相似度指数的概念来评价全口径反射镜去除量模拟结果与实验结果之间的相似程度。结果显示, 实验得到的结构相似度指数达到了0.425 7, 证明优化后的固着磨料磨头在大口径碳化硅反射镜加工方面极有应用前景。

能动抛光磨盘实时产生不同的表面变形,在对大口径非球面光学元件进行精磨和抛光时实现与工件表面良好的大尺寸吻合,可以消除传统光学加工采用小尺寸磨头时带来的高频残余误差并提高加工效率.以加工直径φ1.3m左右,F/2的抛物面光学元件为例,对能动磨盘在不同离轴度时能够产生的变形进行了计算和实验.结果表明,能动磨盘能够以较高精度产生旋转对称或非对称的抛物面形状.对能动磨盘产生变形后的残余误差进行了分析.

能动磨盘在光学抛光时随磨盘移动位置和旋转角度不同而产生不同的变形以实时与大口径被抛光工件表面实现良好的吻合.模拟了能动磨盘的工作过程,探讨了用于光学抛光的可行性.以加工直径1.5m,f1/2的抛物面光学元件为例,用有限元法对能动磨盘能够产生的变形进行了仿真计算,结果表明能动磨盘能够以较高精度产生旋转对称或非对称的二次曲面.