作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/20 18:57:22
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探索大口径光学元件加工的“中国方案”

 

大口径非球面光学元件被广泛应用于遥感卫星、太空望远镜等空间精密光学系统中,是高性能光学系统的核心,更是精密光学制造领域皇冠上的明珠。同时,大口径非球面光学表面的加工制造需要多种加工技术共同完成,这种高精度加工技术原理来源于国外,设备曾长期被欧美等西方国家垄断,严重阻碍了我国在该领域的发展。

为解决大口径非球面光学元件表面质量控制难、加工效率低、经济效益低等问题,天津大学机械工程学院教授林彬团队进行了长期探索,提出大口径非球面光学器件加工系统化加工工艺。日前,他们以单金刚石晶粒实验验证所提出的平滑粒子流体动力学(SPH)模型,对确定划痕过程中裂纹形成的位置和裂纹扩展形态作出了重要贡献。相关研究已在《材料加工技术杂志》上发表。

“大口径非球面光学元件用到的光学玻璃主要由磷酸盐钕玻璃、熔石英玻璃、K9光学玻璃以及用于空间反射镜的碳化硅等材料,以上材料均属于‘硬脆’性难加工材料。”林彬对《中国科学报》说,“这种材料的高脆性、高硬度也严重限制了该类材料的加工效率。”

在国家科技重大专项课题“大口径非球面机器人数控抛光系统研制”支持下,林彬首次提出的基于流体动压原理的抛光技术,为大口径非球面光学元件表面质量控制难、加工效率低、加工工艺不足、经济效益低等问题提供了新的解决方向。不同于传统的加工方法,盘式流体动压抛光工具在流体动压液膜的作用下悬浮于加工表面,在液膜内流体的运动下,驱动抛光液中的磨粒冲蚀加工表面,并实现“纳米级”材料的去除。该项技术被美国光学协会期刊《应用光学》列为封面论文。

2017年,林彬团队在国家科技重大专项课题“机器人抛光机床性能提升研究”中,继续研究探索了光学材料高效快速、去除函数稳定的抛光工艺的工程化应用技术。针对大口径光学表面加工工艺过程中不同加工阶段的工艺需求,发展出子孔径中心供液光学表面系列加工工艺。形成一套由中心供液固结磨料磨抛工艺(CFAL)、中心供液小磨头抛光工艺(CCCP),以及盘式流体动压抛光工艺(DHDP)组成的加工精度由低到高的、稳定的系统化加工工艺体系。应用子孔径中心供液光学表面加工工艺及加工工具,在同一台设备上更换不同的研磨/抛光工具实现光学元件从磨削表面到超光滑表面的系统化加工工艺流程。

基于这三种加工技术,该团队还进行了子孔径中心供液光学表面系列加工工艺组合工艺实验,对加工工艺过程中影响材料去除率、表面质量特征的加工参数进行优化分析,并用于指导工程化应用。相关研究结果表明中心供液光学表面系列化加工工艺是能够实现大口径光学表面全频域内误差抑制及亚表面损伤控制的系统化加工工艺。

“目前,我们从加工装备到加工工艺系统,已经形成拥有核心自主知识产权的大口径非球面光学表面系统化加工技术解决方案。”林彬说,“同时也实现了实际应用,取得了良好的效果。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117090

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116570

https://doi.org/10.1364/AO.55.007866

 
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