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光学零件的超精密加工技术分析

2013-01-25 10:21
黯影冰风
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  超精密加工技术广泛应用于国家重大型号工程,例如激光核聚变磷酸二氢钾( Potassium Dihydrogen Phosphate ,KDP) 晶体及聚焦透镜,航天某型号大型平面反射镜,国家重点型号大型抛物面镜以及大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜( The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spect roscopic Telescope , LAM-OST) ,国家重大科学工程中的反射镜等。为获得高质量影像,缩小体积,减轻重量,很多武器装备都采用非球面光学零件;为进一步提高视场与分辨率的发展需要,光学零件的尺寸也愈来愈大;为减小武器的运动阻力及提高武器的隐身性能,现有的发展趋势是使用共形光学(Conformal Optics) 零件代替球面光学零件。

  1 激光核聚变光学零件超精密加工技术

  我国正在研制的激光核聚变装置需要大量的高精度、大口径光学元件,要按期、保质、保量地制造这些光学元件,必须突破现有的工艺水平,采用高效的先进光学制造技术。借鉴美国国家点火装置(National Ignition Facility ,NIF) 的经验,结合我国的实际情况,将超精密加工技术应用到激光核聚变光学元件的精密制造中。

  1.1 大口径平面光学元件超精密加工

  激光核聚变装置中的光学元件大多数是矩形、方形或多边形的,同圆形元件相比,这些元件的加工具有明显的边缘效应(特别是角上) 。就目前的技术水平而言,要达到工程所要求的透射波前( P - V 值( Peak to Valley ,即峰- 谷值) , λ/ 6 ) 和反射波前( P - V 值,λ/ 4) 是比较困难的,必须采用先进制造技术。

  大量试验证明,电解在线修整磨削法( Elect rolytic In-Process Dressing ,EL ID) 的生产效率明显高于传统研磨工艺,该工序有望取代传统抛光前的粗加工———铣磨和粗抛,唯一的缺点是精度略低(相对于精密抛光) 。

  使用小工具数控抛光加工340 mm ×340 mm ×60 mm的平面反射镜,初始反射波前误差为3. 5λ( P -V 值,λ = 0. 632 8μm) ,经过仅30 h 的抛光,反射波前误差P - V 值收敛至0. 26λ ,均方根值为0. 035 λ ,如图1 所示(图中标尺列出的“+ 、- ”值应当用不同的色彩表示,黑白照无法区分,只是一个示意图) 。从图中明显地看到通常所说的“碎带”误差,在强激光系统中,这种高频误差必须严格控制。因此这种工艺方法不能作为强激光系统光学元件的最终加工。

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