在高能、高功率激光系统光路中的超光滑光学元件上的高反射薄膜表面出现污染时, 会导致光学元件的损伤, 激光透过率下降, 影响激光传输质量, 并降低光学元件的损伤阈值, 制约系统的负载能力和高通量稳定运行能力。为了尽可能减少元件表面污染物的沉积, 对污染物沉积特性进行研究显得尤为重要。对密闭玻璃腔中超光滑元件表面的污染物沉积特性进行了研究, 利用原子力显微镜和傅里叶红外光谱仪对不同手段处理后的样品进行测试和分析, 实验结果表明, 随着放置时间的增加, 表面污染物的沉积越来越多。这种污染物中可能含有—NH化学键, 会引起超光滑元件表面粗糙度的变化, 可以使用酒精、丙酮或铬酸清洗, 或者氧气氛围中等离子体放电等手段有效去除, 但高温烘烤对污染物的消除没有明显的效果。根据上述实验结果, 结合光学元件加工流程的综合分析, 认为造成零件表面污染的原因是光学元件加工过程中残留的物质, 在真空环境下缓慢释放所致。因此, 对于洁净度要求极高的超光滑光学原件, 在加工过程中尽可能地使用容易被简单溶剂消除的辅料, 并在完成加工后减少贮存时间, 尽快进入清洗工序, 可以有效提升光学元件洁净度。

Diamond is a promising material for the modern industry. It is widely used in different applications, such as cutting tools, optical windows, heat dissipation, and semiconductors. However, these application areas require exceptionally flattened and polished diamond surfaces. Unfortunately, due to the extreme hardness and chemical inertness of diamond, the polishing of diamond is challenging. Since the 1920s, various conventional and modern mechanical, chemical, and thermal polishing techniques have been proposed and developed for finishing diamond surfaces. Therefore, to impart proper guidance on selecting a good polishing technique for production practice, this paper presents an in-depth and informative literature survey of the current research and engineering developments regarding diamond polishing. At first, a brief review of the general developments and basic material removal principles is discussed. This review concludes with a detailed analysis of each techniques’ polishing performance and critical challenges, and a discussion of the new insights and future applications of diamond polishing.

为了去除超光滑玻璃表面的纳米级颗粒, 利用白光干涉仪和原子力显微镜对普通湿法清洗和氢氟酸(HF)清洗后的超光滑抛光样件进行检测, 研究了氢氟酸对纳米级颗粒的清洗效果。研究表明, 在普通湿法清洗后, 增加浓度为2%(V/V)的氢氟酸清 洗10 min以上, 可以有效去除超光滑玻璃表面残留的纳米级颗粒。

为了实现对工件表面的超精密抛光, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先, 根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着, 对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真, 对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后, 用TiO2纳米颗粒胶体作为抛光液, 用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后, 对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明: 相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73 m/s)和动压力(2.5 MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12 m/s)和动压力(0.2 MPa), 纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005 s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023 s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810 nm, Ra=0.651 nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。

为了实现亚纳米级超光滑表面的加工, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统, 同时研究了加工过程中纳米颗粒与工件表面间的相互作用机理。首先, 对实验所用锐钛矿TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面进行表征测量。然后, 用第一性原理的平面波赝势计算方法研究了纳米颗粒胶体射流加工中TiO2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量。最后, 开展了TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面间的吸附实验。实验结果表明: 胶体中的OH基团在TiO2团簇表面及单晶硅表面分别发生化学吸附, 在TiO2纳米颗粒及单晶硅表面吸附过程中形成了新的Ti-O-Si键及化学吸附的H2O分子。红外光谱实验结果显示:TiO2纳米颗粒与单晶硅界面间存在新生成的Ti-O-Si键。这种界面间的相互作用证实了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程可实现材料去除的化学作用机理。

为了实现高次回转对称非球面的全口径超光滑加工，对磨头的运动控制算法进行了研究。介绍了超光滑加工的基本原理以及相应数控机床的机构，并对其光学表面的创成方式进行了描述。为了精确控制磨头的运动轨迹，提出了非球面驻留点的等误差递推求解算法进而分析了轨迹误差。计算了磨头位于不同位置时去除率的分布情况，并建立了驻留时间数学求解模型。在自研设备上对口径为150 mm，非球面度为116 μm的样件进行了超光滑加工。表面粗糙度方均根值由1.523±0.045 nm降低至0.399±0.0238 nm且分布均匀。实验结果表明，利用该算法可以精确控制磨头的运动轨迹，从而保证表面粗糙度的均匀一致。

超光滑加工通常是在保证光学元件面型精度不劣化前提下提升其中高频精度.均匀去除是保证超光滑加工过程中光学元件面型精度不劣化的重要途径.本文以四轴三联动小磨头超光滑加工机床为基础, 结合Preston假设, 研究了四轴三联动超光滑加工机床对光学元件的材料去除特性, 发现当机床取某些特定的参量时, 通过等值的驻留时间规划即可实现光学元件表面材料的均匀去除.最后, 对这些特定的参量进行了对比实验.实验结果验证了理论分析的正确性.

对两个通光面均为超光滑表面的双面对称角度楔形镜的加工提出了一种新工艺方法, 并根据零件的特点对工艺方法进行了改进。利用组合楔板工装、粘接上盘等方式对零件进行成盘加工, 不仅使零件的角度、厚度得到了很好的保证, 而且还避免了光胶上盘对已加工表面的损伤, 使通光面的疵病、面形、粗糙度、一致性等指标有很大的改善, 超光滑表面粗糙度rms均优于0.2 nm (AFM测量), 表面疵病达到0级, 角度精度达到±15″, 一次交检合格率达到85%以上, 有效地解决了生产中的瓶颈问题。