激光陀螺表面多层膜微结构表征与分析

本文针对激光陀螺长期稳定性技术研制要求,通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电镜(STEM)、聚焦离子束刻蚀(FIB)、X射线光电子能谱(XPS)以及X射线能量散射谱(EDX)等微观结构和组分表征技术,对激光陀螺反射镜的微观结构和组分进行表征,研究反射镜在不同镀制工艺条件及高低温等外部工作条件下,反射镜膜层界面、膜-基界面以及膜层本身微结构特性的变化规律,建立反射镜微结构特性和不同变化之间的映射关系。本研究结果为激光陀螺表面多层膜的结构表征提供坚实的实验参考和理论依据。

大曲率半径球面反射镜球面误差的改善

结合环形抛光工艺,提出了新的球面抛光方法,以满足环形激光器、同步辐射加速器、光学振荡器等对大曲率半径球面反射镜球面误差的特殊要求。基于Preston抛光方程,分析了传统工艺在抛光过程中球面区域沿径向不同点的相对运动轨迹,建立了抛光过程材料去除模型。运用所建立的数学模型对大曲率半径球面反射镜传统抛光过程进行计算机仿真,揭示了传统抛光方法产生球面误差的两个原因,即工件无法始终处于抛光盘工作区域内以及工件自转与抛光盘转速不一致。由此提出增大抛光盘面积和驱动工件同步转动两条措施来降低球面误差。应用提出的新工艺加工了半径为6 000mm的大曲率半径球面反射镜,测试显示其球面误差ΔR/R<0.02,粗糙度小于0.25nm,表面疵病达到0级,满足设计要求。

Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃加工脆延转变临界条件实验研究

介绍了Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃的加工特点。基于纳米划痕技术对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃进行了纳米划痕实验,测得微晶玻璃材料脆延转变临界切削深度和临界载荷的平均值分别为125.6nm和29.78mN。将实验所得临界切削深度值与基于压痕断裂力学模型建立的脆延转变临界切削深度计算值进行了对比,结果表明,T.G.Bifano基于显微压痕法给出的临界切削深度计算值与实验结果差别较大,结合实验结果对其公式进行了修正;基于压痕断裂力学模型建立的延性域磨削临界切削深度计算值与实验结果相差较小,并分析了产生差异的原因。

Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃超光滑表面纳米划痕产生机理及抑制实验研究

对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面进行了纳米划痕实验,测得微晶玻璃超光滑表面弹性-塑性与塑性-脆性转变的临界载荷分别为3.906 mN和29.78 mN.通过对微晶玻璃超光滑表面划痕产生机理进行分析,得出在纳米尺度的抛光加工过程中,抛光颗粒的载荷越接近弹塑转变临界载荷,则样品表面产生的划痕越少,越易获得无划痕的超光滑表面.通过对比抛光工艺优化前后的实验结果,可以看出优化后的抛光工艺对超光滑表面划痕的抑制效果较明显,证实了上述研究结果的正确性.该研究结果对于Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面加工具有一定的指导意义.

LiNbO_3芯片的无损边缘抛光实验

以抛光垫抛光工艺为基础,研究出一套完整的新型无损边缘抛光工艺,成功实现了高精度光纤陀螺集成光学调制器LiNbO3芯片边缘的无损抛光。即在分析LiNbO3芯片边缘抛光过程中棱边损伤产生原因的基础上,提出3条解决措施:控制研抛浆料中的大颗粒;选择低亚表面损伤的抛光方式;抛光颗粒的大小接近或小于临界切削深度的2倍。加工工件棱边在1 500×显微镜下观察无可见缺陷,芯片端面的表面粗糙度Ra≤0.8nm,表面平面度优于λ/2,满足了LiNbO3芯片无损边缘抛光要求。同时,该工艺方法具有较大的推广应用价值。

Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃表面粗糙度对纳米硬度测试的影响

介绍了纳米压痕测试技术的基础理论及纳米压痕法常用的Oliver-Pharr方法的计算原理。采用纳米压痕试验测得不同表面粗糙度的Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃样品的纳米硬度、弹性模量和载荷-位移曲线。结果表明样品表面粗糙度会降低纳米压痕测试结果的稳定性、准确性和可靠性:样品表面粗糙度越小,测得的纳米硬度和弹性模量值波动越小,载荷-位移曲线重合性越高。随着最大载荷的增大,测得的弹性模量逐渐减小,其原因是压痕边缘材料发生了塑形变形。在超光滑表面样品(Ra=0.9nm)上测得较为准确的Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃纳米硬度和弹性模量值分别为8.8GPa和7.79GPa。纳米压痕测试结果的重合度对于评价超光滑表面完整性研究具有指导意义。

Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃超光滑表面纳米硬度实验研究

介绍了纳米压痕技术的原理和方法.采用三角锥形Berkovich金刚石压头对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃的超光滑表面(Ra=0.079 nm)进行了纳米压痕实验.结果表明,当载荷低于300 mN时,微晶玻璃表现出延性特性.此外,在不同的载荷条件(20 mN^300 mN)下微晶玻璃的硬度和弹性模量存在较大的差异,分析其原因分别是纳米压痕的尺寸效应和材料发生了塑形变形.通过将实验得到的微晶玻璃的纳米硬度值与传统计算方法得到的硬度值进行比较,发现传统方法得到的硬度值较大,其原因是传统硬度计算方法忽略了材料的弹性恢复.

微晶玻璃亚表面损伤深度测量技术及控制试验研究

针对微晶玻璃材料研磨加工引入的亚表面损伤层,综合使用磁流变抛光斑点技术和HF酸差动化学蚀刻速率法测量亚表面裂纹层深度和亚表面残余应力层厚度,针对微晶玻璃材料抛光加工引入的亚表面损伤,采用蚀刻台阶高度变化率法对其进行了准确测量。基于研磨、抛光产生的亚表面损伤深度准确检测的基础上,提出一种超低亚表面损伤复合加工工艺。将复合工艺与传统工艺加工试件的亚表面损伤深度进行了对比,试验结果表明,复合工艺对亚表面损伤抑制效果非常明显,试验证实了提出的复合工艺可以实现微晶玻璃超低亚表面损伤加工。

复合磨粒抛光技术研究现状与展望

复合磨粒抛光技术具有抛光速率高、面形精度好、表面缺陷少等优点,已成为当前的研究热点。综述了复合磨粒抛光技术中核壳型复合磨粒的制备方法、表征技术和作用机理的研究现状,指出了当前复合磨粒抛光技术存在的问题与不足,并对其发展方向进行了展望。

微晶玻璃研磨加工亚表面损伤深度预测方法及测量

将研磨加工中磨粒与工件表面作用过程近似为受法向载荷和切向载荷共同作用下移动的尖锐压头对表面的作用过程,基于压痕断裂力学理论,分析了移动磨粒作用下材料的应力状态、中位裂纹的成核位置和扩展方向。综合考虑弹性应力场、残余应力场及切向载荷对中位裂纹扩展的影响,给出了中位裂纹扩展长度计算公式。建立了亚表面损伤深度与表面粗糙度之间的理论模型。使用磁流变抛光斑点技术测量了微晶玻璃研磨亚表面损伤层深度。将模型预测理论值与实验测量值进行对比,结果表明两者之间的误差控制在5.56%以内,吻合较好。利用该模型可以实现光学材料研磨亚表面损伤深度的快速、简便和准确预测。

基于超光滑表面工艺过程的PSD评价技术研究

基于功率谱密度简化公式,通过数据拟合提取出PSD曲线的两个重要评价参数。研究PSD曲线变化与超光滑表面加工工艺相关性,提出基于超光滑表面工艺过程的PSD评价技术,以指导工艺改进和新工艺的开发。

Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃超光滑表面纳米压痕实验研究

基于纳米压痕技术对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面进行了纳米压痕实验,通过实验测得微晶玻璃纳米硬度和弹性模量的平均值分别为8.808 GPa和77.65 GPa。采用有限元软件ABAQUS建立了微晶玻璃纳米压痕过程的2D轴对称数值模型,通过比较有限元计算所得的载荷-位移曲线和实际纳米压痕试验得到的曲线,反复修正得出材料塑性性能。

反射镜基片无损伤清洗技术研究

本文以抛光表面模型为理论,分析了基片表面损伤产生的机理,设计正交实验,得出了基片表面损伤产生的主要因素。通过改进清洗工艺,制备出了无损伤的超光滑表面。

应用于等离子体环境的反射镜损耗的实时测量

设计并搭建了一套反射镜损耗增量的实时测量系统,实验得到反射镜损耗变化曲线。结果表明,该系统能有效地监测反射镜损耗在等离子体环境中变化的过程,并揭示损耗变化规律,并发现实际损耗增量和与等离子体作用后的自然放置时间密切相关;改变放电电流和腔体气压,损耗增量幅度明显不同。测量结果为等离子体作用下反射镜损耗变化机理的研究提供了实验依据。

PS/CeO_2核壳型复合磨粒的微晶玻璃抛光试验研究

为获得同时具有低表面粗糙度和高面形精度的微晶玻璃基片,利用PS(聚苯乙烯)微球和CeO2磨粒制备出核壳型复合磨粒,替代了单一CeO2磨粒进行抛光试验。通过全因子试验研究PS微球粒径和质量浓度对微晶玻璃基片的材料去除率(MRR)、表面粗糙度和面形精度的影响。试验表明:MRR随着PS微球质量浓度的增大而减小,随着PS微球粒径的增大而增大;PS微球粒径为20μm时,工件塌边显著减小;表面粗糙度随着PS微球浓度的增大而增大。