大口徑平面光學元件的磁流變加工

侯 晶,王洪祥,陳賢華,謝瑞清,鄧文輝,唐才學

(1.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

大口徑平面光學元件的磁流變加工

侯 晶1,2*,王洪祥1,陳賢華2,謝瑞清2,鄧文輝2,唐才學2

(1.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

為了實現大口徑平面光學元件的高精度加工，開展了磁流變加工技術的研究。介紹了磁流變加工原理及去除函數的數學模型。根據磁流變加工的特點，建立了元件整體加工的工藝流程，給出了元件加工的工藝要素。然后，開發(fā)了拋光斑的提取軟件，并基于軌跡段劃分的速度模式開發(fā)了工藝軟件，分析了工藝軟件的各項功能模塊。最后，基于元件加工的工藝流程，對一件800 mm×400 mm的元件進行了加工實驗。利用檢測設備測得了元件的低、中、高頻的加工指標，其低頻反射波前PV值為34 nm，中頻波前功率譜密度(PSD1)值為1.7 nm，高頻粗糙度Rq值為0.27 nm。實驗顯示了較好的實驗結果，驗證了利用磁流變加工技術實現了大口徑光學元件的高精度加工的可行性。本文還闡述了磁流變加工技術在高功率激光元件中應用的優(yōu)點。

平面光學元件；磁流變加工；拋光；面形精度；高功率激光器

1 引 言

現代光學系統(tǒng)對光學元件的形狀精度、表面質量、亞表面質量、殘余應力等性能指標的要求不斷提高，尤其是在慣性約束聚變(ICF)中對光學元件的技術指標要求幾乎接近極限。傳統(tǒng)光學加工方法已很難滿足米級口徑元件加工精度及效率的要求。針對傳統(tǒng)加工技術的缺點，出現了很多先進的光學制造方法，主要包括小磨頭數控拋光、應力盤拋光[1]和氣囊拋光[2]等技術，這些技術能夠保證大尺寸平面元件的加工精度為λ/3(PV)甚至更高，但目前普遍存在元件加工周期長，面形誤差收斂過程呈現反復變化的特點，難以實現加工工藝的精確控制，在元件全頻段誤差一致收斂等問題上也很難滿足一致性的要求。

磁流變(MRF)拋光技術作為一種高確定型的先進光學制造技術，具有高效率、高精度、高質量、亞表面損傷小、表面殘余應力小等一系列優(yōu)點[3,4]，具有良好的應用前景。磁流變拋光技術是由美國Rochester大學COM光學加工中心首創(chuàng)，由美國QED公司完成產品化的新一代光學元件高精度拋光加工方法[5]。該技術利用磁流變拋光液在磁場中的流變性進行拋光，它形成的拋光斑具有很高的穩(wěn)定性，可實現大口徑光學元件的高精度加工。

國外的磁流變拋光設備昂貴，并且他們對用于加工大口徑光學元件的設備實行了嚴格的禁運。國內通過近十年的研發(fā)，已具備研制加工大口徑光學元件的磁流變設備的能力[6,7]。本項目利用國產的磁流變設備開展了大口徑光學元件加工技術的研究，實現了元件高質量加工。

2 磁流變拋光技術的工作原理

在高強度的梯度磁場中，磁流變拋光液變硬，成為具有粘塑性的Bingham介質，并形成緞帶凸起。當這種介質流經過工件與運動盤形成的很小的空隙時，將產生很大的剪切力，從而使工件表面材料被去除[5]。磁流變拋光具有“柔性拋光”的特點，能夠得到高面形精度，高質量的光學表面。并且對環(huán)境要求不高，易于實現計算機控制。

圖1 磁流變拋光原理圖Fig.1 Schematic of MRF polishing

典型的磁流變液由微米級的磁性微粒、非磁性載液、穩(wěn)定劑等成份組成。不加磁場時，磁流變液與牛頓流體相似，在外加磁場的作用下，磁流變液可于瞬間轉變?yōu)锽ingham流體；當撤去外磁場后，磁流變液又可立即恢復原狀。本文基于Preston假設，給出了光學拋光過程中的材料去除模型[8]，如式(1)所示：

MRR=Cp·pv,

(1)

其中：MRR表示材料去除速率，p為正壓力，v表示速度，Cp為Preston系數。

基于以上模型可知，磁流變拋光中的材料去除是拋光粉、基載液和工件三體微觀機械化學共同作用下的宏觀統(tǒng)計結果。拋光粉在工件表面的剪切作用主宰了材料去除過程，按照一般的顆粒剪切流分析可得到拋光粉的接觸載荷Gp，見式(2):

(2)

目前工程上通常采用實驗方法獲取磁流變拋光去除函數，即先在磁流變機床上采斑，再利用干涉儀等光學檢測手段測量獲得拋光斑時實際形貌，進而計算得到當前工藝條件下拋光的去除函數。

3 磁流變加工大口徑平面光學元件的工藝研究

磁流變加工光學元件前，需要完成兩項前期工作，一項是對元件的初始面形誤差進行精密測量，得到待加工元件的初始面形；另一項工作是利用與加工元件相同材料的小型元件制作拋光斑，準確掌握目前加工工藝條件下的去除能力。本文將這兩項工作結果作為工藝軟件的初始條件，運行工藝軟件，形成目標程序。具體流程見圖2(彩圖見期刊電子版)。以初始的面形檢測圖和拋光斑函數數據圖作為軟件的輸入條件，并在軟件中設定相關工藝參數，由軟件自動生成程序并模擬面形圖，根據模擬面形圖和加工時間等因素，確定此次加工的效果。如果滿足此次工藝加工要求，則生成執(zhí)行程序，利用磁流變設備開展加工過程。在元件加工前，需要對元件進行精密裝調，避免裝調誤差對元件加工過程的影響，在元件加工期間要對拋光液流量、液體濃度以及磁場等因素進行嚴格控制，實現拋光斑在整個加工過程中的高穩(wěn)定性；設備完成加工后，進行面形檢測，如不滿足最終指標要求，需進行二次加工，經過幾次收斂性迭代加工最終完成元件的指標要求。

圖2 磁流變工藝流程圖Fig.2 Schematic of MRF polishing process

在整個工藝流程中有兩個關鍵的工藝技術，即拋光斑提取工藝和工藝軟件的功能作用。下面將針對這兩項技術開展軟件編制及工藝上的應用。

3.1 磁流變加工去除函數的提取工藝

磁流變拋光技術是一種高確定性的光學精密加工技術，其高確定性主要來自于其去除函數的高穩(wěn)定性，包括各運動軸的高運動精度和拋光液循環(huán)系統(tǒng)的溫度、流量、壓力等工藝條件的穩(wěn)定控制[9]。在拋光斑制作完成后，對去除函數信息的準確提取非常重要，提取信息的優(yōu)劣直接影響面形誤差的準確去除。本文根據拋光斑的形狀尺度開發(fā)了拋光斑提取工藝軟件，該軟件主要包括去除函數圖形處理、去除函數變換、去除函數關鍵特征量評價等。去除函數圖形處理主要完成從拋光斑檢測面形中沿拋光斑輪廓將去除函數提取出來，并保證不丟失圖形信息且不增加錯誤信息，另外，還要去除多余的檢測面形圖。去除函數變換是指根據元件面形加工工藝的需求，對提取后的拋光斑圖形進行旋轉、縮放及格式輸出等設計。去除函數關鍵特征量評價主要是計算去除函數的FWHH(半高寬)、FLHH(半高長)、體積去除效率、峰值去除效率等關鍵參數，這些參數對元件加工工藝過程中合適的去除函數選擇至關重要。

具體的工藝流程是首先選取初始面形較好的采斑元件(面形PV≤0.2λ)，用干涉儀檢測其初始面形。接著，在磁流變機床上進行采斑操作制作拋光斑，再次采用干涉儀檢測其結果面形，將初始面形和結果面形進行“相減”處理，得到干凈的拋光斑面形。最后，利用拋光斑提取工藝軟件提取并輸出滿足工藝軟件要求的拋光斑函數，并給出拋光斑去除函數的關鍵特征量，根據工藝需求評價去除效率、拋光斑尺度等信息。

圖3 磁流變拋光斑提取過程Fig.3 Taking process of polished spot of MRF

圖4 拋光斑去除函數特征量評價界面圖Fig.4 Evaluation interface graph of removal function characteristics for polished spot

3.2 磁流變加工的工藝軟件功能

磁流變拋光的基本原理是基于Preston線性假設，即通過控制拋光工具在元件不同位置的駐留時間實現元件面形的修整。磁流變去除函數的分布是不均勻、非旋轉對稱的，與旋轉對稱型去除函數相比，其處理過程較為復雜。該軟件將元件面形的點位駐留時間控制模式改為基于軌跡段劃分的速度模式，通過控制每一軌跡段的進給速度進行加工，實現面形的收斂。

圖5 加工面形與模擬面形軟件圖Fig.5 Real machined surface and simulated surface graphes

該軟件具有面形編輯、面形預測、面形修正、去除函數制備、數控代碼生成5大功能模塊。其中，面形修正模塊是磁流變拋光工藝軟件的核心模塊，主要包括基礎數據預處理、軌跡規(guī)劃、駐留時間求解、進給速度求解、面形仿真模擬、去除函數預處理等幾大算法功能模塊。這些功能模塊對元件的面形工藝加工提供了有利的技術支持。

圖6 工藝軟件界面圖Fig.6 Interfaces of process optimization software

4 磁流變加工光學元件實驗

采用磁流變加工的工藝流程，利用國產的平面磁流變拋光機床對一件800 mm×400 mm的UBK7玻璃光學元件，開展了工藝加工實驗。

圖6 800×400 mm元件加工實物圖Fig.6 Physical map of polishing an 800mm×400mm UBK7 workpiece by MRF

在加工過程中采用的拋光斑體去除效率為0.15 mm3/min，拋光液的浸入深度為0.3 mm，拋光液傳送量為1 500 ml/min。利用磁流變工藝軟件輸出數控程序，完成元件的加工。此外，采用WYKO干涉儀和輪廓儀對元件的低頻、中頻以及高頻的結果分別進行了測試。

圖7 WYKO800干涉儀測試實物圖Fig.7 Physical maps of workpiece measured by WYKO800 interferometer

采用WYKO公司的800mm干涉儀對元件的反射波前進行測試。由于該元件是在45°角度下使用，故測試結果為45°時的指標結果。

圖8 45°反射波前(PV：34 nm)Fig.8 45°reflected wavefront (PV:34nm)

圖9 45°反射波前(GRMS：1/442 λ/cm) Fig.9 45°reflected wavefront(GRMS:1/442 λ/cm)

圖10 45°反射波前(PSD1：1.7 nm)Fig.10 45°reflected wavefront(PSD1:1.7 nm)

圖11 表面粗糙度(Rq：0.27 nm) Fig.11 45°reflected wavefront of the workpiece(Rq:0.27 nm)

由以上檢測圖可知，反射波前PV值為34 nm，反射波前梯度GRMS為1/442 λ/cm，反射波前中頻PSD1為1.7 nm，表面粗糙度Rq為0.27 nm。上述結果顯示：磁流變拋光技術能夠達到很好的表面加工質量，效率也高于傳統(tǒng)的加工手段。

5 結 論

本文介紹了磁流變加工原理及去除函數的數學模型。論述了磁流變加工大口徑光學元件的工藝流程，在流程中描述了拋光斑的提取工藝及軟件，還介紹了磁流變工藝軟件的相關功能。利用國產的磁流變拋光設備，對一件800×400 mm的光學元件開展了工藝實驗。通過磁流變的兩次收斂性拋光，實現了高質量面形加工，得到了較好的實驗結果，并且加工效率也高于傳統(tǒng)加工方式(例如小工具數控、環(huán)拋)。強激光系統(tǒng)中的光學元件要求閾值較高，磁流變的剪切加工方式可減少亞表面缺陷的產生，同時它還可以去除前道工序產生的亞表面缺陷，更有利于元件的抗損傷能力[10]。經過磁流變加工后的元件表面有幾十納米深度的鐵粒子，可以采用化學清洗的方式進行處理，實現高抗損傷的元件。

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導師簡介：

王洪祥(196-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，1996年、2002年于哈爾濱工業(yè)大學分別獲得碩士、博士學位，主要從事超精密加工及檢測技術方面的研究。E-mail: whx@hit.edu.cn.

Magnetorheological processing for large aperture plane optical elements

HOU Jing1,2*,WANG Hong-xiang1, CHEN Xian-hua2,XIE Rui-qing2,DENG Wen-hui2,TANG Cai-xue2

(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China; 2.ResearchCenterofLaserFusion,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China) *Correspondingauthor,E-mail:houjing1997@163.com

The magnetorheological processing was investigated to improve the machining precision of large aperture optical elements. The principle of magnetorheological processing and the mathematical model of removal function were introduced. On the basis of the characteristics of the magneticrheological processing, the whole processing flow of optical elements was established and the technological factors of element process were given. Then, the software for extracting laser spots was developed, the technological software was also proposed based on the orbit segment divided speed mode and functions of modules in the technological software were analyzed. Finally, an element with a length of 800 mm and a width of 400 mm was machined experimentally. The results in low, middle and high frequencies by a test equipment show that the PV value of reflective wavefront in low frequency is 34 nm, the PSD1(power spectrum density)value is 1.7 nm, and the roughnessRqvalue is 0.27 nm, respectively. These experimental results verify that it is feasible to machine the high precise large aperture optical elements by magnetorheological processing. Moreover, this paper expounds the advantages of magnetorheological processing in high power laser component applications.

plane optical element, magnetorheological processing; polishing; surface flatness; high power laser

2016-10-08；

2016-11-17.

科學挑戰(zhàn)專題資金資助項目(No.JCKY2016212A506-0502)。

1004-924X(2016)12-3054-07

TN305.2; TH703

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.3054

侯 晶(1977-)，男，吉林淘南人，博士研究生，高級工程師，2008年于浙江大學獲得碩士學位，現為哈爾濱工業(yè)大學的博士研究生，主要從事光學元件的先進制造技術磁流變加工技術的研究。E-mail：houjing1997@163.com