光学元件亚表层损伤检测和规律研究

为了分析光学元件的加工工艺与亚表层损伤的关系,验证亚表层损伤/表面粗糙度比例预测模型的正确性,探索一种能够快速检测亚表层损伤的方法.文中基于激光散射和共聚焦显微成像理论,分析了共聚焦显微系统测量亚表层损伤的可行性;对三种不同工艺加工的光学表面,利用OPTELICS S130五波长共聚焦显微镜获得光学表面亚表层损伤的三维立体图和纵向数据图,在TalySurf CCI上测量了光学表面的粗糙度,分析了加工过程中磨粒直径变化规律对表面粗糙度和亚表层损伤深度的影响,验证了亚表层损伤深度和表面粗糙度之间呈单调递增了的非线性关系.研究结果表明,共聚焦显微成像技术可以实现亚表层的非破坏性定量检测.

基于共焦成像法的亚表层损伤散射仿真

光学零件的亚表面缺陷直接影响其使用性能和抗激光损伤阈值等重要指标,而造成这些危害的根本原因是由损伤层引入的入射光的散射。采用时域有限差分(FDTD)法,结合共焦层析测量系统进行模拟仿真。首先,针对常见的光学材料,分析了入射光经由亚表层中的微裂纹、气泡等常见缺陷调制后的光场分布,并结合不同形态参数和光学参数建立模型;其次,引入球面波激励源,模拟计算了入射波聚焦点沿固定间隔逐渐偏离缺陷时的散射分布。结果表明:共焦层析测量系统能够实现对亚表层损伤的测量,满足纵向响应函数趋势。

聚焦离子束加工单晶金刚石的亚表层损伤研究

为保证聚焦离子束(FIB)制造微细零部件或微刀具等的加工表面使用性能和使用寿命,研究了使用FIB技术加工单晶金刚石超硬材料的亚表层损伤。从粒子碰撞和能量交换两种角度分析了FIB加工亚表层损伤的形成原理,利用SRIM软件模拟了FIB加工单晶金刚石的离子轰击过程,确定了FIB亚表层损伤区域横截面半径,以及亚表层损伤深度。研究表明,理论上FIB加工金刚石靶材,其亚表层损伤截面半径不超过微米级零部件特征尺寸的2%,损伤深度不超过1%。

消除陶瓷亚表层损伤的辅助振动磨削法

本文研究了磨削陶瓷材料时消除浅表损伤和增大材料去除率的技术。缺口型断裂试件试验表明间歇卸载可以在载荷方向的中央裂纹全面发生前,产生横向裂纹。再加载时,横向裂纹可以减缓中央裂纹的进一步延伸。单磨粒的磨削试验验证了间歇载荷的好处。磁致伸缩装置调节工件产生间歇载荷。类似的研究指出,每个磨粒的作用力在调制情况下可能是双倍的,但并不增加垂直于磨削表面的成品工件的磨削缺陷。我们的试验观察表明材料去除率增加62%,中央裂纹的延伸最小。试验同时表明在同样的材料去除率情况下,调制可减少中央裂纹延伸深度24%。我们观察到随着切削速度与调制频率的比率的增大,损伤深度加深。最后,合理调节切削深度和切削方向都能有效的减轻亚表层损伤。

单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究

运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程,通过分析切屑、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响.仿真结果显示:磨削速度的增大会加剧磨粒前端材料的堆积,超过200 m/s后增加不再明显.而加工区域的平均温度通过原子之间的挤压和摩擦会不断增大.在磨削温度、磨削力以及粘附效应的相互作用下,摩擦系数先增大后减小.晶格的变形、晶格重构和非晶相变导致切屑形成过程中的磨削力剧烈波动.研究结果表明:在加工脆性材料单晶硅过程中,随着磨削速度的升高亚表层损伤厚度先减小后增大.当磨削速度低于150 m/s时,随着磨削速度的升高,磨粒下方的原子晶格重新排列的时间缩短,非晶结构的产生减少,亚表层损伤厚度减小.当磨削速度超过150 m/s时,加工区域中的高温成为主导因素促进位错的成核、运动致使亚表层损伤厚度增大.

基于WLI原理K9基片的亚表层损伤检测

在现代激光技术的应用发展中,光学元件在其制造过程中形成的亚表层损伤是导致激光损伤的主要根源之一。光学元件亚表层的检测方法已成为光学加工领域的一个新的热点问题。利用非接触式白光干涉原理对K 9基片进行亚表层损伤检测,获得基片表面至亚表面200μm深的三维立体图和纵向截切图,并精确地确定其亚表层损伤深度,以及在不同深度范围内的损伤密度。该方法与现阶段国内常用的亚表层损伤检测方法相比,具有非破坏性、纵向检测结果精确、检测过程简单快捷等特点。

纳米多晶铜单点金刚石切削亚表层损伤机理

基于Poisson-Voronoi和Monte Carlo方法构建了多晶铜分子动力学模型,研究了纳米切削中多晶铜材料去除、切削力变化及晶界与位错间的相互转化机制。研究结果表明:晶界的阻碍作用使得切屑流向发生了改变,并在已加工表面形成凹槽和毛刺;切削过程中晶界前方材料变形能的逐渐积聚及晶界的最终断裂,造成了切削力发生由最大峰值到最小谷值的大幅波动;晶界附近的材料去除经历了材料变形积聚、位错穿越晶界、晶界转变为位错及晶界最终断裂等过程。通过详细分析多晶铜纳米切削中位错与晶界间的演化过程,揭示了晶界与位错间的相互转化机制,丰富了多晶铜亚表层损伤机理的内涵。

基于概率统计的BK7玻璃磨削亚表层损伤深度在线预测技术

为了在线预测硬脆材料磨削加工引起的亚表面损伤深度,本文利用概率统计法对磨粒高度进行分析,建立了刀具切削力与亚表层裂纹扩展深度之间的理论关系模型。首先,基于硬脆材料的压痕断裂力学理论,分析了中位裂纹扩展长度与磨粒压痕深度之间的内在关联。随后,对刀具端面边缘的磨粒数目进行了数理统计,建立了刀具切削力与单个磨粒切削深度之间的理论关系。在此基础上,提出了工件亚表层损伤深度的在线预测模型SSDmax=1.284×SSDmax theo-36.23,并结合BK7玻璃的实际磨削实验验证了其正确性。通过对比实验结果与理论模型的预测结果发现,该方法可以在线、准确地预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度。

雾化施液CMP抛光硅片的亚表层损伤研究

雾化施液CMP抛光后的硅片依然存在亚表层损伤,会严重影响硅片的使用性能。首先利用化学腐蚀法和光学显微镜分别观测了亚表层的微裂纹以及不同部位的位错蚀坑形貌和位错密度。然后利用显微共聚焦拉曼光谱仪分析了抛光前后硅片表面残余应力的变化行为以及应力的分布情况。最后利用差动蚀刻速率法测取了亚表层的损伤深度并分析了抛光参数对损伤深度的影响规律。研究表明:随着表层到亚表层深度的增加,微裂纹损伤愈加严重,硅片边沿处的位错密度和形貌要明显好于中心区,位错平均密度为1.2×104/cm2;雾化抛光后的硅片表面被引入残余拉应力,应力沿硅片对角线方向呈对称分布;亚表层的损伤深度大约为0.99μm,随着雾化器电压的增大呈递减趋势,而抛光垫转速和抛光压力都存在一个最佳的参数使损伤深度达到最小。

单晶碳化硅接触中亚表层损伤与破坏机理的原子尺度分析

基于分子动力学的Vashishta势函数研究了碳化硅纳米压痕受载诱导产生的位错环演变特征、相变转化数额和接触力学性能,分析了极端使役温度对其亚表层损伤行为和接触力学性能的影响。结果表明:碳化硅材料亚表层损伤主要以位错形核、位错堆积和位错滑移方式发生塑性变形,接触时的位错环历经位错形核、位错环生成增大、位错环繁衍增殖和位错环脆断等四个阶段。较高的使役温度,使碳化硅材料的最大承载性、硬度、杨氏模量和接触刚度曲线呈类抛物线趋势下降。其主要原因是,温度越高碳化硅晶格点阵越容易摆脱原子键能的束缚而产生晶格点阵缺陷,位错的产生导致材料亚表层发生应力集中,最终使碳化硅材料接触时的力学性能大大降低。此外,亚表层应力集中也使碳化硅材料内相变结构由立方碳化硅向闪锌矿碳化硅类型转变。随着温度的升高立方碳化硅和闪锌矿碳化硅的相变结构随之增多。另外,半导体器件中的碳化硅受载时发生的相变对使役温度的依赖极为显著。温度升高引起碳化硅晶格相变和表面随机粗糙斑点的产生,是产生接触黏着的主要原因。

基于荧光共聚焦技术熔石英亚表层损伤检测方法

熔石英光学材料是一种高新技术产品,在现代各领域的应用越来越广泛,特别是航天航空等领域具有大量应用需求。由于其产品的制造难度较大,因此其成品质量的高低就成为人们最为关注的问题,其中尤以亚表层损伤的问题至关重要。论述了几种常用的亚表层损伤检测方法和原理,分析了其优缺点。在此基础上说明了使用荧光共聚焦显微技术来检测光学元件亚表层损伤的可行性和准确性。使用共聚焦激光扫描显微镜对熔石英玻璃试件的亚表层损伤进行了检测实验。对比了角度抛光法所得到的两种荧光量子点亚表层损伤深度,可以明确在一定的加工条件下亚表层损伤的分布情况。使用图像处理软件Image-Pro Plus 6.0分析了亚表层损伤的分布图像及分布密度,定量的给出了亚表层损伤的基本规律。

光学材料磨削的亚表面损伤预测

基于压痕断裂力学理论,建立了工件表面粗糙度与亚表层损伤深度的理论关系模型,用于预测磨削加工脆性光学材料引起的亚表层损伤深度。利用磁流变角度抛光技术检测了不同磨削加工工艺条件下亚表层的损伤深度,验证了理论模型的正确性。分析了加工工艺参数对工件表面粗糙度及亚表层损伤深度的影响规律,提出了提高材料去除率的磨削加工工艺方案。分析结果表明:脆性材料工件的亚表层损伤深度与工件的表面粗糙度呈非线性单调递增关系。工件亚表层损伤深度及工件表面粗糙度均随着切削深度和进给速度的增加而增加,随着主轴转速的增加而减小。对比实验结果与理论模型预测结果表明,提出的模型可以准确、无损伤地的预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度。

单晶铜纳米压印亚表层晶体结构演变机理

为研究纳米压印中单晶铜亚表层晶体结构演变机理,采用分子动力学方法构建纳米压印仿真模型并模拟单晶铜纳米压印过程。采用改进的中心对称参数法分析单晶铜试件位错形核过程及缺陷演化机理,发现纳米压印时位错缺陷在压头下方形核并沿{1 1 1}滑移系向试件内部扩展形成堆垛层错,试件表面有原子台阶残留,试件亚表面损伤层存在V形位错等典型缺陷。针对位错形核区域及位错扩展区域材料晶体结构状态的识别,采用球谐函数法对模拟结果进行分析。由分析结果可知:位错形核区域材料晶体结构由FCC转变为排列更为紧密的HCP和ICO结构;位错扩展区域材料主要转变为DFCC结构。

超声振动辅助抛光氮化镓分子动力学仿真分析

为了揭示超声振动辅助抛光(ultrasonic vibration-assisted polishing,UVAP)氮化镓(GaN)的微观机理,为优化超声参数实现GaN材料高效去除和改善表面质量提供指导意见。采用分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟方法研究了超声振动条件下单个磨粒在氮化镓(GaN)材料表面的划擦行为,并分析了超声振动周期和幅值对GaN材料去除行为的影响。结果表明,随UVAP振动周期的增大,平均切向力不断减小,平均法向力先增大后减小,损伤层厚度先降低后逐渐趋于平缓。振动周期为40 ps时,去除原子数量为常规抛光的5.6倍,同时损伤层深度仅为15.85。而随着UVAP振幅的增加,平均切向力先减小后增大,平均法向力不断减小,划痕宽度和损伤层深度非线性增大。在振幅为8时,损伤层深度与常规抛光基本保持一致,且去除原子数量相比常规抛光提升了4.6倍。UVAP较常规抛光能够降低平均磨削力,增大划痕宽度,提升去除原子数量,具有优异的抛光效果。UVAP振动周期和振幅的增大均会增加划痕底部的位错类型。此外,位错总长度的大小主要受振幅的影响,而与振动周期基本无关。通过调控UVAP振动周期和振幅分别为40 ps和8,能够保证较好的表面质量和较高的材料去除效率。

基于形性控制的大口径离轴非球面高精度磨削(特邀)

大口径离轴非球面光学元件的应用需求呈大幅增长趋势,如空间/地基大口径望远镜、航空光电和地面跟踪瞄准装置等。同时,日益增大的元件口径和越来越短的加工周期使得高效高精度制造工艺成为大口径离轴非球面光学元件加工的核心问题。精密磨削作为大口径离轴非球面元件的材料高效去除工序,磨削面形精度(Peak-Valley,PV)和损伤层深度直接决定了后续的抛光难度与周期。因此,开展了大口径离轴非球面光学镜面的控形控性高精度磨削研究,即提升大口径离轴非球面光学元件的磨削面形精度的同时降低磨削损伤深度,实现二者在数值上的协同逼近。在控形方面,确立了机床结构方面影响低频面形形状与精度的主要影响因素,探究了A轴零位误差、Y轴对中误差、砂轮形状尺寸误差、磨削方法路径和Z轴面形补偿等因素对面形精度的影响规律以实现工艺参数的协同控制与精度优化。在控性方面,获得了磨削损伤深度随磨削参数的变化规律并建立了磨削损伤深度与磨削表面粗糙度的映射关系,提出针对大口径离轴非球面磨削亚表层损伤抑制策略。对640 mm口径离轴非球面镜进行形性控制磨削实验后,面形精度达到3μm,表面粗糙度Ra小于24 nm,Rz小于0.2μm,依照表面粗糙度与亚表面损伤层深度映射关系,亚表面损伤层深度5μm左右,逼近面型精度。经验证后续抛光周期大幅缩短,对大口径光学元件的高效高精度加工具有重要参考价值。

蓝宝石晶体的双面研磨加工

为了实现对蓝宝石晶体的高效低损伤研磨加工,对蓝宝石晶体的双面研磨加工表面粗糙度、研磨均匀性和亚表面损伤层的深度进行实验研究。采用280#碳化硼磨粒双面研磨(0001)面蓝宝石晶体,考察了研磨时间对材料去除速率、表面粗糙度的作用规律,根据蓝宝石晶体切割表面状态确定了双面研磨的加工余量;通过WYKO粗糙度仪从微观上分析了蓝宝石晶体表面的研磨均匀性;最后,应用纳米压入测试分析了亚表面损伤层的深度。实验结果表明:蓝宝石晶体经过120 min的双面研磨加工后可以获得Ra为0.523μm,Rt<6.0μm的表面;其深度损伤层约为460 nm,亚表面损伤层<1μm。

光学玻璃的激光微结构化砂轮精密磨削

为了降低大磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃时的亚表层损伤,利用纳秒脉冲激光对金刚石砂轮进行了表面微结构化加工,并采用该砂轮研究了光学玻璃的精密磨削加工。首先,计算了金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值和激光束腰半径;然后,分析了纳秒脉冲激光在金刚石磨粒上加工的微结构形貌以及微结构化过程中的热损伤;最后,采用微结构化大磨粒金刚石砂轮进行光学玻璃的磨削实验,并分析了亚表层的损伤情况。实验结果表明:金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值为0.89J/cm,激光束腰半径为17.16μm。在粒度为150μm的大磨粒电镀金刚石砂轮上可以实现结构尺寸为20μm的微结构表面加工。与传统金刚石砂轮相比,微结构化砂轮磨削后的光学玻璃亚表层损伤深度降低了40%,达到了降低光学玻璃磨削亚表层损伤的目的。

电镀金刚石砂轮高效精密修整及熔融石英磨削试验研究

大尺寸光学玻璃元件主要采用细磨粒金刚石砂轮进行精密/超精密磨削加工,但存在砂轮修整频繁、工件表面面形精度难以保证、加工效率低等缺点。采用大磨粒金刚石砂轮进行加工则具有磨削比大、工件面形精度高等优点,然而高效精密的修整是其实现精密磨削的关键技术。采用Cr12钢对电镀金刚石砂轮(磨粒粒径151μm)进行粗修整,借助修整区域聚集的热量加快金刚石的磨损,可使砂轮的回转误差快速降至10μm以内。结合在线电解修锐技术,采用杯形金刚石修整滚轮对粗修整后的电镀砂轮进行精修整,砂轮的回转误差可达6μm以内,轴向梯度误差由6μm降至2.5μm。通过对修整前后的金刚石砂轮表面磨损形貌成像及其拉曼光谱曲线分析了修整的机理。对应于不同的砂轮修整阶段进行熔融石英光学玻璃磨削试验,结果表明,砂轮回转误差较大时,工件材料表面以脆性断裂去除为主;随着砂轮回转误差和轴向梯度误差的减小,工件表面材料以塑性去除为主,磨削表面粗糙度为Ra19.6 nm,亚表层损伤深度低至2μm。可见,经过精密修整的大磨粒电镀金刚石砂轮可以实现对光学玻璃的精密磨削。

无结合剂碳化钨非球面模具的超精密磨削加工

针对无结合剂碳化钨材料,进行非球面模具的法向磨削试验研究。分析法向磨削非球面时的砂轮对刀误差对磨削精度的影响,研究无结合剂碳化钨非球面模具的磨削表面形貌特征和最终表面质量,优化误差补偿工艺,并利用聚焦离子束对磨削后的非球面亚表层损伤进行成像分析。研究结果表明利用推导的砂轮对刀误差方程,可以在磨削加工前对砂轮的初始位置进行精确调整,提高磨削加工精度。磨削后无结合剂碳化钨非球面模具不同区域的表面质量不同,距非球面中心越近,磨削质量越好,距中心越远,磨削质量越差。经过3次误差补偿磨削加工后,最终的无结合剂碳化钨非球面模具的面形精度误差均小于0.3μm(PV值),表面粗糙度平均值小于8 nm(Ra值),亚表层没有明显的裂纹产生。

纳米压痕诱导单晶铜弹塑性变形分析与破坏机理研究

目的从微观角度实现对微机电系统中微器件局部接触区域弹塑性演化过程和原子迁移演变规律的探寻。方法运用经典分子动力学法,基于EAM和Morse混合势函数,对硬质金刚石探头与软质金属铜基底展开纳米压痕接触特性研究。结果纳米压痕中位错环构型生成与演变有规可循,位错环在受载荷影响时,有着4个演变阶段,即位错环萌芽期→生长期→繁衍期→维持期。当载荷达到一定程度时,压痕中铜基质内密排六方结构的HCP容易与附近类似结构发生关联耦合效应,产生刃型位错和形成螺旋式位错结构,随后以脱落方式构成棱柱形位错结构,并向基底底部发射。另外,整个纳米压痕中,铜基质亚表面损伤最为严重,探头与基底接触区域两侧的位错环迁移处应力较集中。结论纳米接触中铜基质内位错环出现与演变过程,是衡量局部接触塑性变形强弱程度的重要依据和非接触区域损伤程度的内在表现。此次研究结果对细观尺度接触变形行为有着深层次认识,也对纳尺度设计出优异摩擦学性能的微结构有着重要借鉴作用。