为了提高单点金刚石车削CaF₂衍射光学元件(DOE)的表面质量和衍射效率,首先基于Beckman标量散射理论和有效面积法,建立了表面粗糙度误差和表面轮廓误差对衍射效率影响的数学模型。然后,结合CaF₂的车削特性和DOE的结构特点,优化了CaF₂ DOE的车削模型。同时,给出了不同工艺条件下半圆金刚石刀具的最佳车削位置和最优刀具半径,实现了对CaF₂ DOE表面粗糙度的控制。最后,在该优化模型的指导下,获得了表面粗糙度为3.4 nm、阴影区域宽度为28.7 μm的高表面质量的CaF₂ DOE,验证了所提优化车削模型的可靠性。所提车削模型对提高包含CaF₂ DOE折-衍混合光学系统的成像质量具有重要意义。

靶丸内表面轮廓是激光核聚变靶丸的关键参数，需要精密检测。本文首先分析了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量基本原理，建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量方法。此外，搭建了靶丸内表面轮廓测量实验装置，建立了基于靶丸光学图像的辅助调心方法，实现了靶丸内表面轮廓的精密测量，获得了准确的靶丸内表面轮廓曲线；最后，对测量结果的可靠性进行了实验验证和不确定度分析，结果表明，白光共焦光谱能实现靶丸内表面低阶轮廓的精密测量，其测量不确定度优于0.1 μm。

针对不锈钢搭接激光焊缝,研究了基于激光测距传感的焊缝表面状态非接触式高精度检测方法。在分析焊缝表面粗糙度、工件倾斜等随机因素对焊缝表面状态检测结果影响的基础上,采用移动均值滤波及图像倾斜修正处理等方法,开发了检测数据滤波及检测结果校正算法。基于激光焊缝表面检测轮廓曲线的特征点识别建立了激光焊缝表面余高/下塌量的检测计算模型。结果表明:检测分析获得的激光焊缝表面轮廓曲线与相应的金相检测结果吻合良好,很好地反映了焊缝的表面状态。

研究了一种基于短相干光相移干涉法的便携式光学表面轮廓仪，分析了短相干光干涉显微镜相移干涉技术,实现了基于该项技术的光干涉显微系统。采用光路集成化的设计方法,实现了一体化轮廓仪光路集成,优化了机械三维调整测量台,实现了可用于大、小口径元件表面测量的正置、倒置两种测量模式。测试结果表明,仪器的粗糙度测量精度为0.1 nm,重复性误差优于0.01 nm,横向分辨率优于1 μm。

表面轮廓的测量可以评定零件表面的光滑程度，为了实现高精度测量，提出了应用电子直接调制激光束的频率和外差相干的方法对表面轮廓进行测量。采用差动多普勒的测量原理，实现数字测量及光路补偿；电子直接调制激光束频率的技术减小了系统体积，降低了成本；光纤传输提高了抗干扰的能力；测量信号的跟踪放大，提高了分辨率。通过电路调试并对产生误差的项进行分析补偿。实验表明，该技术的测量不确定度小于0.1%。

为有效解决金刚石刀具表面轮廓质量评价指标分散、无法进行全面系统测量的难题，基于原子力显微镜和超精密回转轴系，提出了实现前后刀面粗糙度、刃口锋利度和刃口微豁三个关键指标的集成测量方法。根据金刚石刀具表面轮廓质量的测量要求，以原子力显微镜扫描系统、气浮隔振平台、二维移动平台以及精密回转轴系为基础构建测量系统，精确测量了金刚石刀具刃口附近的表面微观形貌；采用基于MATLAB开发的专用测量软件对原始数据进行处理，得到金刚石刀具前后刀面粗糙度值、刃口锋利度值和刃口微豁范围；并对测量误差进行了分析，提出了控制要求。通过上述自主开发的测量仪器，可以高效、完整地描述金刚石刀具表面轮廓质量，能够实现nm级粗糙度、亚μm级锋利度以及μm级微豁的准确测量。

实验研究了轴向色差测试技术用于动态损伤样品截面形貌测量的可行性，对材料动态损伤的损伤程度进行了高精度的表征与量化。首先，采用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术，对动态冲击实验"软回收"得到的样品截面进行测量；然后，对测试数据进行重构，获得了样品截面二维图像和表面三维轮廓形貌。最后，针对该测试方法获得的数据建立了损伤计算方法,并利用该方法计算了材料的损伤量。结果表明：该技术能对样品截面进行大范围连续测量(6.9 mm×9.999 mm)，获得样品截面清晰的三维形貌，并且将损伤度曲线的分辨率提高到3 m。得到的结果显示：基于白光轴向色差的测试技术能实现材料动态损伤的大范围、高精度连续测量，测试工作量小，计算损伤的方法简单，能有效地提高损伤度曲线的分辨率。

阀盖与阀座是构成燃气表计量误差的主要因素, 为定量评价燃气表阀气密性好坏, 使用激光三角位移传感器扫描二维气浮平台上气阀工作面的表面轮廓, 经高斯低通滤波后计算其表面粗糙度参数, 以判断燃气表阀气密性合格与否。结果表明: 合格与不合格燃气表阀表面粗糙度值存在较大差异, 激光三角法测量结果与触针式粗糙度测量仪测量值也存在偏差, 但不影响燃气表阀气密性合格与否的判断。通过测量燃气表阀表面轮廓可判断其气密性好坏, 为定量评价燃气表阀合格与否提供了科学依据。

针对传统工艺难以制备口径大于1.2 m的整块反射镜的问题，提出了反应连接制备大口径RB-SiC反射镜的工艺。该工艺在素坯阶段实现连接，一次反应烧结完成坯体的致密化和镜体的连接。采用该工艺制备了230 mm口径的RB-SiC反射镜，并使用FSGJ-2光学数控机床对反射镜进行了研磨、粗抛光和精抛光加工，其镜面面形精度RMS值达到了λ/50(λ=632.8 nm)。在环境温度(20±3) ℃检测了连接反射镜，其面形变化RMS值小于λ/300，热循环试验前后连接反射镜面形没有明显变化；连接镜体表面在焊缝处粗糙度Ra<3.3 nm，连接层与基体的显微结构基本相似，热性能相匹配。研究结果表明，用新型反应连接技术制成的RB-SiC反射镜可以满足空间光学应用要求。

为了研究多点激光微喷丸对表面形貌的影响，采用实验方法测试了激光微喷丸处理后纯铜材料的表面形貌，对不同工艺参数条件下的处理表面进行了分析，给出了合理的表征方式，探讨了主要工艺参数对表面形貌的影响规律。结果表明，激光微喷丸后表面粗糙度增加；激光脉冲能量和搭接率是影响表面轮廓以及轮廓支承长度率的主要因素；通过对多点激光微喷丸强化纯铜表面形貌的分析和合理表征，为工艺参数的选择和表面质量的有效控制提供理论指导。