CN108161583A - 易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，该方法包括以下步骤：(1)配置非水基磁流变液，确定非水基磁流变抛光装置工艺参数，运行抛光装置；(2)待加工的易潮解晶体透射波前误差修整；(3)利用非水基磁流变工艺刻蚀表面相位结构；(4)将加工面形与预设面形进行面形匹配，得到精确的面形误差，再进行修整，最终完成表面相位结构的加工。本发明的制备方法能够制备出高精度、低缺陷的易潮解晶体表面相位结构，有效解决了易潮解晶体表面相位结构加工的难题。

Description

易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法

技术领域

本发明属于光学元件加工技术领域，涉及一种表面相位结构的制备方法，具体涉及一种易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法。

背景技术

磁流变抛光技术(MRF)是一种确定性抛光技术，它利用磁流变液在磁场中的流变性对光学元件进行抛光，具有适用范围广、加工精度高、收敛效率高、亚表面损伤小的特点。

聚变是获得清洁能源的一种有效方法。1964年我国科学家王淦昌提出了惯性约束核聚变的基本思想，其利用激光作为驱动源提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳，形成高温高压等离子体，利用反冲压力，压缩氘氚燃料达到极高密度，使局部区域形成高温高密度热斑，达到点火条件，进行充分的热核燃烧，放出大量聚变能。

连续相位元件是惯性约束核聚变系统中光束控制和焦斑整形的关键，对系统性能影响显著。如图1所示，此类元件表面具有三维微结构、面形复杂、面形梯度大、相位单元几何轮廓和相互位置精度要求高等特点。传统的化学刻蚀法工艺难于控制，加工出的元件焦斑整形能力不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出一种易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其采用优化的工艺和制备参数，使得制备得到的相位结构可以满足强光光学系统对晶体表面相位结构的高精度、低缺陷的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案；

一种易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，包括以下步骤：

(1)配置非水基磁流变抛光液，将非水基磁流变抛光液加入磁流变机床循环系统，确定系统中非水基磁流变抛光装置工艺参数，运行抛光装置；

(2)对待加工的易潮解晶体进行磁流变抛光，使易潮解晶体的透射波前面形较平整；

(3)将表面相位结构的预设面形求反与步骤(2)所得抛光后易潮解晶体的实测面形叠加得到待加工面形误差，以待加工面形误差为基础，利用非水基磁流变抛光去除函数求解抛光驻留时间，然后利用求解出的抛光驻留时间生成数控加工代码，在数控加工代码的控制下进行磁流变抛光，得到表面相位结构；

(4)对步骤(3)得到的表面相位结构进行面形测量，通过面形匹配技术将测量的面形与预设面形比较获得精确的面形误差，再进行磁流变抛光，最终加工出高精度的表面相位结构。

上述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，具体操作如下：

(2.1)以易潮解晶体作为去除函数的试验样件，先采用波面干涉仪测量去除函数制作前的面形，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数在试验样件上打出抛光斑点，采用波面干涉仪测量去除函数制作后的面形，将抛光去除函数制作前后的面形作差，得到非水基磁流变抛光去除函数；

(2.2)选取一个反射面，采用波面干涉仪测量面形误差，在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所得非水基磁流变抛光去除函数和反射面面形误差，求解计算得到修形驻留时间文件；

(2.3)在数控代码生成软件中导入步骤(2.2)所得修形驻留时间文件，生成数控加工代码，在数控加工代码的控制下，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数对反射面进行修整；

(2.4)以加工修整好的反射面为基准，采用磁流变抛光对透射波前面形误差进行修整，使透射波前面形较为平整。

上述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法中，优选的，所述步骤(3)中，具体操作如下：

(3.1)采用波面干涉仪测量抛光后的易潮解晶体透射波前面形，与表面相位结构预设面形求反所得到的面形求和，得到待加工面形误差，在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所得的非水基磁流变抛光去除函数和待加工面形误差，求解计算得到抛光驻留时间文件；

(3.2)在数控代码生成软件中导入步骤(3.1)所得的抛光驻留时间文件，生成加工表面相位结构的数控加工代码，在该数控加工代码的控制下，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数对易潮解晶体进行磁流变抛光，得到表面相位结构。

上述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法中，优选的，所述步骤(4)中，具体操作如下：

(4.1)采用波面干涉仪测量步骤(3.2)所得表面相位结构的面形，采用面型匹配软件将表面相位结构的测量面形与预设面形比较得到面形误差，在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所得的非水基磁流变抛光去除函数和表面相位结构的面形误差，求解得到修整驻留时间文件；

(4.2)在数控代码生成软件中导入步骤(4.1)所得的修整驻留时间文件，生成数控加工代码，在该数控加工代码的控制下，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数对工件进行修整，加工得到易潮解晶体表面连续相位结构。

上述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法中，优选的，所述非水基磁流变抛光装置工艺参数为：抛光轮与待加工易潮解晶体的相对速度为1m/s～3m/s，加工区域的最大磁场强度为210mT～230mT，压深为0.1mm～0.3mm，非水基磁流变抛光液的流量为100L/h～130L/h。

上述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述非水基磁流变抛光液包括烷氧基醇、磁敏颗粒、表面活性剂和去离子水。

上述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法中，优选的，所述磁流变抛光加工时的空气湿度在45％～55％。

上述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法中，优选的，每次磁流变抛光后迅速采用芳香烃清洗晶体表面。

本发明的主要创新点在于：

易潮解晶体具有各向异性、脆性高、质地软、易潮解、对温度变化敏感等一系列不利于光学加工的特点，被认为是最难加工的光学材料。相较于平面加工中允许的测量误差、工件定位误差，连续相位结构加工要求更加严格。本发明的技术方案使易潮解晶体的表面相位结构实现了高精度、低缺陷的需求，面形匹配精度越高，得到的面形误差越准确，最后加工得到的精度越高。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的非水基磁流变加工方法工艺流程简单，可操作性强，能加工出满足强光光学系统对易潮解晶体表面相位结构要求的高精度、低缺陷。该磁流变抛光加工方法采用了非水基磁流变抛光液，在抛光易潮解晶体时，利用非水基磁流变抛光液中水分子的溶解作用代替传统抛光的剪切力实现材料的去除，可以有效避免晶体表面划痕和亚表面损伤。结合磁流变加工的确定性修形技术，能够实现表面具有三维微结构、面形复杂、面形梯度大、相位单元几何轮廓和相互位置精度高的易潮解晶体表面相位结构加工。

附图说明

图1是本发明背景技术中9mm特征尺寸的连续相位元件三维微结构。

图2是本发明实施例中对KDP晶体进行表面相位结构刻蚀加工的照片。

图3是本发明实施例步骤(2)中非水基磁流变液去除函数干涉仪测量结果图。

图4是本发明实施例步骤(2)中非水基磁流变修形前KDP晶体初始面形的波面干涉图。(PV：峰谷值；RMS：均方根值；1wave＝633nm)

图5是本发明实施例步骤(2)中非水基磁流变修形后KDP晶体面形的波面干涉图。(PV：峰谷值；RMS：均方根值；1wave＝633nm)

图6是本发明实施例步骤(3)中非水基磁流变第一次加工所得KDP晶体表面相位结构形貌的波面干涉图。(PV：峰谷值；RMS：均方根值；1wave＝633nm)

图7是本发明实施例步骤(4)中非水基磁流变修整后KDP晶体表面相位结构形貌的波面干涉图。(PV：峰谷值；RMS：均方根值；1wave＝633nm)

图8是本发明实施例中易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法步骤(1)至步骤(3)的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售，采用的驻留时间求解软件、数控代码生成软件、面型匹配软件均为本领域常用软件。

实施例：

一种本发明的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，如图2所示，采用非水基磁流变抛光装置对易潮解KDP晶体进行表面相位结构加工，包括以下步骤：

(1)配置非水基磁流变抛光液，将非水基磁流变抛光液加入磁流变机床循环系统，确定循环系统中非水基磁流变抛光装置工艺参数(也称为关键参数)，运行抛光装置：

(1.1)配置非水基磁流变抛光液

配制非水基磁流变抛光液，按质量分数计，该非水基磁流变抛光液包括31％的二乙二醇单丁醚(477g，500ml)、59％的羰基铁粉(900g)、5％的表面活性剂(75g)和5％的去离子水(75g，75ml)组成。其中，二乙二醇单丁醚在20℃时的粘度为6.49mPa·s；羰基铁粉的粒度主要在1μm～10μm范围，平均粒径为5μm，含Fe纯度大于97％，相对品质因素大于1.75，有效磁导率大于3，该羰基铁粉可于市场购买得到；表面活性剂为硬脂酸、司班60和吐温60的混合物，三者的质量比为1∶1∶1。该非水基磁流变抛光液在20℃时的粘度为0.5Pa·s。

(1.2)确定非水基磁流变抛光装置工艺参数，运行抛光装置

将非水基磁流变抛光液加入磁流变机床循环系统，运行抛光装置。抛光轮与待加工易潮解晶体的相对速度(可由抛光轮的转速控制)为1m/s～3m/s，加工区域的最大磁场强度为210mT～230mT，压深为0.1mm～0.3mm，非水基磁流变抛光液的流量为100L/h～130L/h。本实施例中，以上参数具体为：抛光轮与待加工易潮解晶体的相对速度为1m/s，加工区域的最大磁场强度为210mT，压深为0.1mm，非水基磁流变抛光液的流量为100L/h。

(2)生成数控加工代码，对待加工的KDP晶体进行非水基磁流变抛光，使易潮解晶体材料透射波前面形较为平整：

(2.1)选取口径100mm×100mm的KDP晶体作为去除函数的试验样件。先采用波面干涉仪测量去除函数制作前的面形。采用如步骤(1.2)所示的工艺参数，在KDP晶体试验样件上打出抛光斑点。采用波面干涉仪测量去除函数制作后的面形。将抛光去除函数制作前后的面形作差，获得如图3所示的非水基磁流变抛光去除函数。

(2.2)选取一个反射面，采用波面干涉仪测量反射面形误差。采用驻留时间求解软件进行驻留时间解算(该解算指后面的导入、求解过程)：在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所获得的非水基磁流变抛光去除函数和反射面形误差，求解计算便可获得修形驻留时间文件。

(2.3)采用数控代码生成软件生成加工代码：在数控代码生成软件中导入步骤(2.2)所获得的修形驻留时间文件，便可生成数控加工代码。在数控加工代码的控制下，采用如步骤(1.2)所示的磁流变抛光加工参数对反射面进行修整。

(2.4)以加工修整好的反射面为基准，采用如步骤(1.2)所示非水基磁流变抛光装置工艺参数，对透射波前误差进行修整，使透射波前面形较为平整，然后用芳香烃清洗。图4为抛光前KDP晶体透射波前误差，图5为抛光后KDP晶体透射波前误差。

(3)生成数控加工代码，对KDP晶体进行非水基磁流变抛光，将相位结构刻蚀到晶体表面，得到初步的表面相位结构：

(3.1)采用波面干涉仪测量步骤(2.4)抛光后的KDP晶体透射波前面形，与表面相位结构预计面形求反后所得到的面形进行求和，得到待加工面形误差，在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所获得的非水基磁流变抛光去除函数和待加工面形误差，求解计算便可获得抛光驻留时间文件。

(3.2)采用数控代码生成软件生成加工代码：在数控代码生成软件中导入步骤(3.1)所获得的抛光驻留时间文件，便可生成加工表面相位结构的数控加工代码。在该数控加工代码的控制下，采用如步骤(1.2)所示的非水基磁流变抛光装置工艺参数对工件进行磁流变抛光，得到如图6所示的表面相位结构。

上述步骤(1)至步骤(3)的流程示意图可参见图8。

(4)利用面形匹配软件，得到精确的面形误差，对工件进行修整：

(4.1)上述步骤(3.2)磁流变抛光完成后，迅速采用芳香烃进行清洗，采用波面干涉仪测量抛光后的KDP晶体相位结构面形，采用面型匹配软件，将测量面形与预设面形比较得到面形误差。在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所获得的非水基磁流变抛光去除函数和面形误差，求解计算便可获得修整驻留时间文件。

(4.2)采用数控代码生成软件生成数控加工代码：在数控代码生成软件中导入步骤(4.1)所获得的修整驻留时间文件，便可生成数控加工代码。在该数控加工代码的控制下，采用如步骤(1.2)所示的非水基磁流变抛光装置工艺参数对工件进行修整，加工得到如图7所示的9mm特征尺寸易潮解晶体表面连续相位结构。连续相位结构的PV值从271nm下降至151nm，面形RMS值从41.3nm收敛至24.8nm。

本实施例中，磁流变抛光加工时的空气湿度在45％～55％。

本实施例中，每次磁流变抛光后的晶体表面存在磁流变液的残留，抛光后需要迅速采用芳香烃清洗，易潮解晶体一般硬度低，容易出现划痕，清洗的过程中，将适量的芳香烃添加到晶体表面，使用脱脂棉轻轻擦拭2到3次，即可清洗干净，得到干净无划痕的表面相位结构。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，包括以下步骤：

(1)配置非水基磁流变抛光液，将非水基磁流变抛光液加入磁流变机床循环系统，确定系统中非水基磁流变抛光装置工艺参数，运行抛光装置；

(2)对待加工的易潮解晶体进行磁流变抛光，使易潮解晶体的透射波前面形较平整；

(3)将表面相位结构的预设面形求反与步骤(2)所得抛光后易潮解晶体的实测面形叠加得到待加工面形误差，以待加工面形误差为基础，利用非水基磁流变抛光去除函数求解抛光驻留时间，然后利用求解出的抛光驻留时间生成数控加工代码，在数控加工代码的控制下进行磁流变抛光，得到表面相位结构；

(4)对步骤(3)得到的表面相位结构进行面形测量，通过面形匹配技术将测量的面形与预设面形比较获得精确的面形误差，再进行磁流变抛光，最终加工出高精度的表面相位结构。

2.根据权利要求1所述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，具体操作如下：

(2.1)以易潮解晶体作为去除函数的试验样件，先采用波面干涉仪测量去除函数制作前的面形，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数在试验样件上打出抛光斑点，采用波面干涉仪测量去除函数制作后的面形，将抛光去除函数制作前后的面形作差，得到非水基磁流变抛光去除函数；

(2.2)选取一个反射面，采用波面干涉仪测量面形误差，在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所得非水基磁流变抛光去除函数和反射面面形误差，求解计算得到修形驻留时间文件；

(2.3)在数控代码生成软件中导入步骤(2.2)所得修形驻留时间文件，生成数控加工代码，在数控加工代码的控制下，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数对反射面进行修整；

(2.4)以加工修整好的反射面为基准，采用磁流变抛光对透射波前面形误差进行修整，使透射波前面形较为平整。

3.根据权利要求2所述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，具体操作如下：

(3.1)采用波面干涉仪测量抛光后的易潮解晶体透射波前面形，与表面相位结构预设面形求反所得到的面形求和，得到待加工面形误差，在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所得的非水基磁流变抛光去除函数和待加工面形误差，求解计算得到抛光驻留时间文件；

(3.2)在数控代码生成软件中导入步骤(3.1)所得的抛光驻留时间文件，生成加工表面相位结构的数控加工代码，在该数控加工代码的控制下，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数对易潮解晶体进行磁流变抛光，得到表面相位结构。

4.根据权利要求3所述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，具体操作如下：

(4.1)采用波面干涉仪测量步骤(3.2)所得表面相位结构的面形，采用面型匹配软件将表面相位结构的测量面形与预设面形比较得到面形误差，在驻留时间求解软件中导入步骤(2.1)所得的非水基磁流变抛光去除函数和表面相位结构的面形误差，求解得到修整驻留时间文件；

(4.2)在数控代码生成软件中导入步骤(4.1)所得的修整驻留时间文件，生成数控加工代码，在该数控加工代码的控制下，采用非水基磁流变抛光装置工艺参数对工件进行修整，加工得到易潮解晶体表面连续相位结构。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其特征在于，所述非水基磁流变抛光装置工艺参数为：抛光轮与待加工易潮解晶体的相对速度为1m/s～3m/s，加工区域的最大磁场强度为210mT～230mT，压深为0.1mm～0.3mm，非水基磁流变抛光液的流量为100L/h～130L/h。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述非水基磁流变抛光液包括烷氧基醇、磁敏颗粒、表面活性剂和去离子水。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其特征在于，所述磁流变抛光加工时的空气湿度在45％～55％。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的易潮解晶体表面相位结构的磁流变制备方法，其特征在于，每次磁流变抛光后迅速采用芳香烃清洗晶体表面。