大口徑平面光學(xué)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(xué)

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

大口徑平面光學(xué)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(xué)2

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

為了實(shí)現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件的高精度加工，開展了磁流變加工技術(shù)的研究。介紹了磁流變加工原理及去除函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)磁流變加工的特點(diǎn)，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(xiàng)功能模塊。最后，基于元件加工的工藝流程，對(duì)一件800 mm×400 mm的元件進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)。利用檢測(cè)設(shè)備測(cè)得了元件的低、中、高頻的加工指標(biāo)，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(shí)驗(yàn)顯示了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了利用磁流變加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大口徑光學(xué)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(shù)在高功率激光元件中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。

平面光學(xué)元件；磁流變加工；拋光；面形精度；高功率激光器

1 引 言

現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件的形狀精度、表面質(zhì)量、亞表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力等性能指標(biāo)的要求不斷提高，尤其是在慣性約束聚變(ICF)中對(duì)光學(xué)元件的技術(shù)指標(biāo)要求幾乎接近極限。傳統(tǒng)光學(xué)加工方法已很難滿足米級(jí)口徑元件加工精度及效率的要求。針對(duì)傳統(tǒng)加工技術(shù)的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了很多先進(jìn)的光學(xué)制造方法，主要包括小磨頭數(shù)控拋光、應(yīng)力盤拋光[1]和氣囊拋光[2]等技術(shù)，這些技術(shù)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(zhǎng)，面形誤差收斂過(guò)程呈現(xiàn)反復(fù)變化的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)加工工藝的精確控制，在元件全頻段誤差一致收斂等問(wèn)題上也很難滿足一致性的要求。

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

國(guó)外的磁流變拋光設(shè)備昂貴，并且他們對(duì)用于加工大口徑光學(xué)元件的設(shè)備實(shí)行了嚴(yán)格的禁運(yùn)。國(guó)內(nèi)通過(guò)近十年的研發(fā)，已具備研制加工大口徑光學(xué)元件的磁流變?cè)O(shè)備的能力[6,7]。本項(xiàng)目利用國(guó)產(chǎn)的磁流變?cè)O(shè)備開展了大口徑光學(xué)元件加工技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了元件高質(zhì)量加工。

2 磁流變拋光技術(shù)的工作原理

在高強(qiáng)度的梯度磁場(chǎng)中，磁流變拋光液變硬，成為具有粘塑性的Bingham介質(zhì)，并形成緞帶凸起。當(dāng)這種介質(zhì)流經(jīng)過(guò)工件與運(yùn)動(dòng)盤形成的很小的空隙時(shí)，將產(chǎn)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(diǎn)，能夠得到高面形精度，高質(zhì)量的光學(xué)表面。并且對(duì)環(huán)境要求不高，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(jí)的磁性微粒、非磁性載液、穩(wěn)定劑等成份組成。不加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液與牛頓流體相似，在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流變液可于瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)锽ingham流體；當(dāng)撤去外磁場(chǎng)后，磁流變液又可立即恢復(fù)原狀。本文基于Preston假設(shè)，給出了光學(xué)拋光過(guò)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(shù)。

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(jī)械化學(xué)共同作用下的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。拋光粉在工件表面的剪切作用主宰了材料去除過(guò)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(shí)驗(yàn)方法獲取磁流變拋光去除函數(shù)，即先在磁流變機(jī)床上采斑，再利用干涉儀等光學(xué)檢測(cè)手段測(cè)量獲得拋光斑時(shí)實(shí)際形貌，進(jìn)而計(jì)算得到當(dāng)前工藝條件下拋光的去除函數(shù)。

3 磁流變加工大口徑平面光學(xué)元件的工藝研究

磁流變加工光學(xué)元件前，需要完成兩項(xiàng)前期工作，一項(xiàng)是對(duì)元件的初始面形誤差進(jìn)行精密測(cè)量，得到待加工元件的初始面形；另一項(xiàng)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(zhǔn)確掌握目前加工工藝條件下的去除能力。本文將這兩項(xiàng)工作結(jié)果作為工藝軟件的初始條件，運(yùn)行工藝軟件，形成目標(biāo)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(cè)圖和拋光斑函數(shù)數(shù)據(jù)圖作為軟件的輸入條件，并在軟件中設(shè)定相關(guān)工藝參數(shù)，由軟件自動(dòng)生成程序并模擬面形圖，根據(jù)模擬面形圖和加工時(shí)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?cè)O(shè)備開展加工過(guò)程。在元件加工前，需要對(duì)元件進(jìn)行精密裝調(diào)，避免裝調(diào)誤差對(duì)元件加工過(guò)程的影響，在元件加工期間要對(duì)拋光液流量、液體濃度以及磁場(chǎng)等因素進(jìn)行嚴(yán)格控制，實(shí)現(xiàn)拋光斑在整個(gè)加工過(guò)程中的高穩(wěn)定性；設(shè)備完成加工后，進(jìn)行面形檢測(cè)，如不滿足最終指標(biāo)要求，需進(jìn)行二次加工，經(jīng)過(guò)幾次收斂性迭代加工最終完成元件的指標(biāo)要求。

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

在整個(gè)工藝流程中有兩個(gè)關(guān)鍵的工藝技術(shù)，即拋光斑提取工藝和工藝軟件的功能作用。下面將針對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)開展軟件編制及工藝上的應(yīng)用。

3.1 磁流變加工去除函數(shù)的提取工藝

磁流變拋光技術(shù)是一種高確定性的光學(xué)精密加工技術(shù)，其高確定性主要來(lái)自于其去除函數(shù)的高穩(wěn)定性，包括各運(yùn)動(dòng)軸的高運(yùn)動(dòng)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(duì)去除函數(shù)信息的準(zhǔn)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(zhǔn)確去除。本文根據(jù)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(shù)圖形處理、去除函數(shù)變換、去除函數(shù)關(guān)鍵特征量評(píng)價(jià)等。去除函數(shù)圖形處理主要完成從拋光斑檢測(cè)面形中沿拋光斑輪廓將去除函數(shù)提取出來(lái)，并保證不丟失圖形信息且不增加錯(cuò)誤信息，另外，還要去除多余的檢測(cè)面形圖。去除函數(shù)變換是指根據(jù)元件面形加工工藝的需求，對(duì)提取后的拋光斑圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放及格式輸出等設(shè)計(jì)。去除函數(shù)關(guān)鍵特征量評(píng)價(jià)主要是計(jì)算去除函數(shù)的FWHH(半高寬)、FLHH(半高長(zhǎng))、體積去除效率、峰值去除效率等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)元件加工工藝過(guò)程中合適的去除函數(shù)選擇至關(guān)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(cè)其初始面形。接著，在磁流變機(jī)床上進(jìn)行采斑操作制作拋光斑，再次采用干涉儀檢測(cè)其結(jié)果面形，將初始面形和結(jié)果面形進(jìn)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(shù)，并給出拋光斑去除函數(shù)的關(guān)鍵特征量，根據(jù)工藝需求評(píng)價(jià)去除效率、拋光斑尺度等信息。

圖3 磁流變拋光斑提取過(guò)程Fig.3 Taking process of polished spot of MRF

圖4 拋光斑去除函數(shù)特征量評(píng)價(jià)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(shè)，即通過(guò)控制拋光工具在元件不同位置的駐留時(shí)間實(shí)現(xiàn)元件面形的修整。磁流變?nèi)コ瘮?shù)的分布是不均勻、非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型去除函數(shù)相比，其處理過(guò)程較為復(fù)雜。該軟件將元件面形的點(diǎn)位駐留時(shí)間控制模式改為基于軌跡段劃分的速度模式，通過(guò)控制每一軌跡段的進(jìn)給速度進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)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(yù)測(cè)、面形修正、去除函數(shù)制備、數(shù)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(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理、軌跡規(guī)劃、駐留時(shí)間求解、進(jìn)給速度求解、面形仿真模擬、去除函數(shù)預(yù)處理等幾大算法功能模塊。這些功能模塊對(duì)元件的面形工藝加工提供了有利的技術(shù)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(xué)元件實(shí)驗(yàn)

采用磁流變加工的工藝流程，利用國(guó)產(chǎn)的平面磁流變拋光機(jī)床對(duì)一件800 mm×400 mm的UBK7玻璃光學(xué)元件，開展了工藝加工實(shí)驗(yàn)。

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

在加工過(guò)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(shù)控程序，完成元件的加工。此外，采用WYKO干涉儀和輪廓儀對(duì)元件的低頻、中頻以及高頻的結(jié)果分別進(jìn)行了測(cè)試。

圖7 WYKO800干涉儀測(cè)試實(shí)物圖Fig.7 Physical maps of workpiece measured by WYKO800 interferometer

采用WYKO公司的800mm干涉儀對(duì)元件的反射波前進(jìn)行測(cè)試。由于該元件是在45°角度下使用，故測(cè)試結(jié)果為45°時(shí)的指標(biāo)結(jié)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(cè)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(jié)果顯示：磁流變拋光技術(shù)能夠達(dá)到很好的表面加工質(zhì)量，效率也高于傳統(tǒng)的加工手段。

5 結(jié) 論

本文介紹了磁流變加工原理及去除函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。論述了磁流變加工大口徑光學(xué)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(guān)功能。利用國(guó)產(chǎn)的磁流變拋光設(shè)備，對(duì)一件800×400 mm的光學(xué)元件開展了工藝實(shí)驗(yàn)。通過(guò)磁流變的兩次收斂性拋光，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量面形加工，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且加工效率也高于傳統(tǒng)加工方式(例如小工具數(shù)控、環(huán)拋)。強(qiáng)激光系統(tǒng)中的光學(xué)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(chǎn)生，同時(shí)它還可以去除前道工序產(chǎn)生的亞表面缺陷，更有利于元件的抗損傷能力[10]。經(jīng)過(guò)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(xué)清洗的方式進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)高抗損傷的元件。

[1] 范斌,萬(wàn)勇建,陳偉,等.能動(dòng)磨盤加工與數(shù)控加工特性分析[ J ]. 中國(guó)激光, 2006, 33(1):128-132. FAN B, WAN Y J, CHEN W,etal.. Manufacturing features comparing between computer control active lap and computer control optical surface for large aspherical optics [J].ChineseJ.Lasers, 2006, 33(1):128-132.(in Chinese)

[2] 張偉,李洪玉,于國(guó)彧.光學(xué)元件超精密氣囊拋光關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2009,29(1):27-34. ZHANG W, LI H Y, YU G Y. Current situation of ultra precision bonnet polishing key technology of optical elements [J].ActaOpticaSinica, 2009, 29(1):270-34. (in Chinese)

[3] 張峰, 張斌智. 磁流體輔助拋光工件表面粗糙度研究[J]. 光學(xué) 精密工程, 2005,13(1):34-39. ZHANG F, ZHANG B ZH. Surface roughness of optical elements fabricated by magnetic fluid assisted polishing [J].Opt.PrecisionEng., 2005,13(1):34-39.(in Chinese)

[4] 顏浩,楊春林,侯晶,等. 磁流變加工的連續(xù)相位板波前及光強(qiáng)特性[J].強(qiáng)激光與粒束,2014,26(9):092012. YAN H, YANG CH L, HOU J,etal.. Wavefront and light intensity characteristics of continuous phase plate fabricated by magnetorheological finishing[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2014, 26(9): 092012. (in Chinese)

[5] KORDONSKI W I, GOLINI D, DUMAS P,etal.. Magnetorheological-suspension-based finishing technology [C].Proc.ofSPIE.，1998, 3326, 310670.

[6] 張峰, 余景池, 張學(xué)軍. 磁流變拋光技術(shù)[J]. 光學(xué) 精密工程,1999, 7(5):1-7. ZHANG F, YU J CH, ZHANG X J,etal.. Magnetorheological finishing technology [J].Opt.PrecisionEng.,1999, 7(5):1-7. (in Chinese)

[7] 徐曦,楊李茗,石琦凱,等.磁流變加工對(duì)中頻誤差的影響[J].強(qiáng)激光與粒子束,2012, 24(7):1695-1699. XU X, YANG L M, SHI Q K,etal.. Effect of magnetorheological finishing on mid-spatial frequency error[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2012, 24(7): 1695-1699. (in Chinese)

[8] KORDONSKI W, GORODKIN S. Material removal in magnetorheological finishing of optics [J].AppliedOptics,2011, 50(14): 1984-1994.

[9] 楊航,何建國(guó),黃文,等.磁流變拋光去除函數(shù)獲取的微分解耦方法[J].強(qiáng)激光與粒子束,2015, 27(8)：082005. YANG H, HE J G, HUANG W,etal.. Differential decoupling method employed in MRF spotting process[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2015, 27(8)：082005. (in Chinese)

[10] 呂東喜,王洪祥,黃燕華,等.光學(xué)材料磨削的亞表面損傷預(yù)測(cè)[J].光學(xué) 精密工程，2013,21(3)：680-686. LV D X，WANG H X，HUANG Y H，etal..Prediction of grinding induced subsurface damage of optical materials[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(3):680-686.(in Chinese)

導(dǎo)師簡(jiǎn)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(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事超精密加工及檢測(cè)技術(shù)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(xué)挑戰(zhàn)專題資金資助項(xiàng)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(jí)工程師，2008年于浙江大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博士研究生，主要從事光學(xué)元件的先進(jìn)制造技術(shù)磁流變加工技術(shù)的研究。E-mail：houjing1997@163.com