大气等离子体刻蚀是一种非接触式、材料去除可控的加工方法，在光学元件的高精度加工中具有广泛的应用前景。但是大气等离子体刻蚀后元件存在表面形貌恶化的问题，严重影响元件的性能和使用寿命。进行氢氟酸刻蚀实验，证明了元件表面形貌的恶化是由氟碳化合物和表面凹坑微结构两个原因引起的。为了解释表面凹坑微结构的形成，提出基于micro-mask壁面反射增强理论的凹坑形成模型，并开展了样品表面旋涂金纳米颗粒充当micro-mask的刻蚀实验。实验结果验证了micro-mask壁面反射增强模型的正确性，为解决大气等离子体刻蚀后元件表面形貌恶化问题提供了新的思路和方法。

传统的接触式加工不可避免地会在光学元件上产生亚表层损伤,而大气等离子体抛光(APPP)具有非接触、可定量去除、加工过程不受材料性能影响等优点,在光学加工领域有着巨大的应用潜力。但在实际加工过程中,光学元件加工后的收敛效果并不明显,经验证明去除量随驻留时间的变化呈非线性而导致了加工误差。针对这一问题,首先优化了加工参数;之后研究了加工原理以及加工残余物对后续加工的影响,分析了加工存在非线性效应的原因;提出了一种基于变去除函数的驻留时间算法,并进行了实验验证。结果显示,对尺寸为120 mm×65 mm×10 mm的熔石英光学元件进行变去除函数加工实验,面形峰谷值(PV)的平均收敛率由加工前的21.41%提升至加工后的60.52%,面形均方根值(RMS)的平均收敛率由加工前的24.13%提升至加工后的74.79%,实现了熔石英元件的高精度快速加工,验证了变去除函数加工的有效性。

大气等离子体抛光(APPP)是一种非接触式的化学刻蚀加工方法,具有效率高、成本低、精度高等优点,可以作为碳化硅(SiC)加工的一种有效手段。基于APPP气体放电理论和尖端电场畸变效应,分析了电极结构对等离子体放电稳定性和去除函数的影响;从理论上推导了APPP加工SiC的最优电极尖端半径,并进行了实验验证。在最优电极的基础上,系统分析了不同加工参数下APPP刻蚀SiC的去除函数的特性。通过优化电极结构和工艺参数,对直径为50 mm、初始面形误差峰谷(PV)值为475.846 nm、初始面形误差均方根(RMS)为124.771 nm的无压烧结碳化硅(S-SiC)进行加工,加工21 min后,S-SiC工件的PV值降低至103.510 nm,RMS值降低至12.148 nm,RMS收敛率达90.26%。实验结果显示:APPP加工SiC比大多数传统加工方法的效率更高。

利用Nd:YAG 激光器产生的1064 nm 激光束(光斑直径为100 μm，脉冲能量为60 mJ，脉冲宽度为200 ps)聚焦击穿大气形成激光大气等离子体。采用全息干涉技术对激光击穿空气等离子体的电子密度分布进行了诊断，获得的无限宽条纹图直观反映了位移量的等位线，从有限宽条纹图获得了电子密度的分布，结果表明激光大气等离子体中各种离子和电子呈橄榄形分布，即沿激光束方向不对称，而垂直激光束方向对称分布，且最大电子密度为1018 cm-3量级。

给出了描述高功率微波脉冲大气非线性传输及微波大气等离子体特征演化的方程组，并在以微波群速度运动的局域坐标系下完成程序编制。据此模拟分析了高功率微波大气长程非线性传输及自产生大气等离子体的基本物理过程，给出了在击穿建立过程中，电子数密度增长与电子温度升高之间的关系。模拟结果表明: 由于大气层中本底自由电子数密度较低，高功率微波脉冲到达时会迅速地将大气中现有的自由电子加热至平衡温度，与之相比导致电子数密度雪崩式增长的击穿过程要缓慢得多，而且随着击穿过程的开始电子温度会从平衡温度快速下降。

为了实现对微结构光学零件无表面损伤和亚表面损伤的高效加工, 建立了大气等离子体数控加工系统。研究了该系统的平台设计、大气等离子体加工工艺特性及其数控加工过程。首先, 根据大气等离子体加工的原理及要求介绍了该数控加工系统的组成。然后, 以He/SF6/O2加工熔融石英为例, 采用针状电极等离子体矩对系统加工工艺的可控性以及多参数工艺特性进行了探索, 并根据工艺实验结果拟合出该加工条件下的去除函数。最后, 介绍了整个大气等离子体数控加工的实现过程。实验结果表明: 利用该系统可以在平面融石英材料上加工出幅值为150 nm、波长为6 mm的正弦网格结构, 由此验证了该数控加工系统的可行性, 实现了对复杂面型光学零件表面的确定性加工。

大气等离子体加工反应过程中, 等离子体发生装置的热稳定过程对去除率有直接影响, CF4是化学反应中活性F*原子的提供者, O2是重要的辅助气体。 为了寻找这三者对大气等离子体加工反应过程的影响规律, 采用大气等离子体加工系统进行加工、 光谱仪监控等离子体反应过程的活性F*原子的光谱变化。 实验结果表明, 在大气压等离子体加工系统中: 热稳定后, 活性F*原子强度基本不随时间变化; 随着CF4含量的增加, F*原子谱线轮廓发生了自吸收现象, 这说明采用光谱法研究CF4含量对活性F*原子含量的影响是不完全准确的; 由于O2易和CF4解离的中间产物反应, 抑制活性粒子重新组合, 因此一定范围内随着O2含量增加, 活性F*原子增加。

We investigate reactive fluorine atom spectroscopic characterization in atmospheric pressure of He/SF6 plasma using atomic emission spectrometry. As input radio frequency (RF) power levels are raised from 140 to 220 W, the emission spectra of 685.60 (3p4D-3s4P transition) and 739.87 nm (3p4P-3s4P transition) increase significantly. Moreover, an optimal value of SF6 volume concentration in the production of fluorine radicals, which is 0.8% is achieved. Addition of certain amounts of O2 into He/SF6 plasma results in the promotion of SF6 dissociation. Emission intensities of fluorine atoms show the maximum at the O2/SF6 ratio of 0.4.

Atmospheric pressure plasma polishing (APPP) is a precision machining technology used for manufacturing high quality optical surfaces. The changes of surface modulus and hardness after machining prove the distinct improvement of surface mechanical properties. The demonstrated decrease of surface residual stresses testifies the removal of the former deformation layer. And the surface topographies under atomic force microscope (AFM) and scanning electron microscope (SEM) indicate obvious amelioration of the surface status, showing that the 0.926-nm average surface roughness has been achieved.

发展了大气等离子体抛光方法,并用于超光滑表面加工.该技术基于低温等离子体化学反应来实现原子级的材料去除,避免了表层和亚表层损伤.运用原子发射光谱法证明了活性反应原子的有效激发,进而揭示了特定激发态原子对应的电子跃迁轨道.在针对单晶硅片的加工实验中,应用有限元分析法在理论上对加工过程中的空间气体流场分布和样品表面温度分布进行了定性分析.后续的温度检测实验证实了样品表面温度梯度的形成,并表明样品表面最高温度仅为90 ℃.材料去除轮廓检测结果符合空间流场的理论分布模型,加工速率约为32 mm3/min.利用原子力显微镜对表面粗糙度进行测量,证实了加工后样品表面在一定范围内表面粗糙度Ra=0.6 nm.最后,利用X射线光电子谱法研究了该方法对加工后表面材料化学成分的影响.实验和检测结果均表明,该抛光方法可以进行常压条件下的超光滑表面无损抛光加工,实现了高质量光学表面的无损抛光加工.