亞納米精度光學(xué)表面離子束修形的基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著裝備性能需求的不斷提升，現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)零件面形精度和表面質(zhì)量的要求幾乎接近于物理極限，亞納米精度表面制造將成為國(guó)家未來(lái)在光刻技術(shù)、同步輻射、空間光學(xué)等一系列科學(xué)領(lǐng)域的重大需求，代表了納米精度制造技術(shù)的發(fā)展前沿。傳統(tǒng)光學(xué)加工方法在加工精度和加工效率等方面已經(jīng)無(wú)法滿足需求，由此出現(xiàn)了許多新型的確定性光學(xué)加工技術(shù)。其中，基于物理濺射效應(yīng)的離子束拋光技術(shù)以其原子分子量級(jí)的材料去除能力得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是目前最具有亞納米精

2、度制造潛力的加工技術(shù)。然而，在以亞納米精度為目標(biāo)的光學(xué)制造中，離子濺射與材料的相互作用機(jī)理、原子分子量級(jí)材料去除的穩(wěn)定性與可控性、超光滑表面生成機(jī)理以及全頻段誤差一致收斂等關(guān)鍵問(wèn)題尚待深入研究。因此，開展亞納米精度光學(xué)表面制造的基礎(chǔ)研究，系統(tǒng)解決相關(guān)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，是穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)亞納米精度光學(xué)制造的前提，對(duì)于推動(dòng)制造技術(shù)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義，符合國(guó)家相關(guān)科技領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。
　　本論文圍繞亞納米精度制造和超光滑表面生

3、成等要求，利用離子束拋光技術(shù)，研究亞納米精度表面生成的方法和規(guī)律，揭示制造過(guò)程伴生的納米新現(xiàn)象和新機(jī)理，實(shí)現(xiàn)全頻段誤差一致收斂的加工目標(biāo)，形成自主研發(fā)的制造裝備、理論和工藝。具體的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)研究了離子濺射的數(shù)學(xué)模型及其作用機(jī)理。研究了離子濺射理論和微觀表面塑形行為，從本質(zhì)上揭示了離子濺射對(duì)宏/微尺度誤差的作用機(jī)理；探討了離子濺射的表面/亞表面低損傷加工特性，研究了材料特性對(duì)離子濺射的影響規(guī)律；建立了離子

4、束拋光過(guò)程中材料去除的多參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了亞納米量級(jí)材料的穩(wěn)定性可控去除，為亞納米精度制造奠定了理論基礎(chǔ)。
　　(2)探索了光學(xué)表面亞納米面形精度的生成理論。研究了誤差收斂與離子束拋光工具和工藝條件的映射關(guān)系，掌握了亞納米面形精度生成的條件和規(guī)律。通過(guò)對(duì)拋光工具修形能力、加工系統(tǒng)性能、組合制造工藝技術(shù)和面形誤差去除方式的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)表面的亞納米面形精度加工。
　　(3)建立了面向曲面光學(xué)零件加工的精確修形理論。研究了曲面零

5、件的亞納米面形精度制造規(guī)律，揭示了拋光過(guò)程去除函數(shù)的高動(dòng)態(tài)特性，建立了工件幾何形狀和濺射參數(shù)變化條件下的去除函數(shù)非線性模型，在此基礎(chǔ)上提出了誤差精確去除的修形理論，提升了制造過(guò)程的準(zhǔn)確性和可控性。
　　(4)研究了亞納米精度制造伴生微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)理和可調(diào)控性。基于離子濺射理論和表面擴(kuò)散原理，建立了納米微結(jié)構(gòu)生成的數(shù)學(xué)模型，揭示了離子濺射誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)生成的機(jī)理。通過(guò)研究工藝參數(shù)、外界污染和材料特性等因素對(duì)微結(jié)構(gòu)生成的影響，掌握了微觀形

6、貌的演變規(guī)律和可調(diào)控性原理，為實(shí)現(xiàn)光學(xué)表面的超光滑加工奠定了基礎(chǔ)。
　　(5)探索了超光滑表面的生成規(guī)律和加工方法。通過(guò)對(duì)微觀形貌演變理論的研究，掌握了超光滑表面生成的原理和規(guī)律，解析了微區(qū)材料特性對(duì)進(jìn)一步提升光學(xué)表面質(zhì)量的重要影響，形成了超光滑加工的關(guān)鍵性理論。針對(duì)離子濺射容易產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的微晶材料，提出了材料添加和去除結(jié)合的光學(xué)加工新方法，建立了相關(guān)的理論模型和加工工藝，有效地解決了此類特殊材料的超光滑加工難題。
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