在高功率固體激光裝置要求的所有平面透射光學(xué)元件中,熔石英材料的屏蔽片是光學(xué)冷加工難度最高的元件之一,加工要求為單次透射波前畸變?yōu)?6(=6328 nm)。其外形尺寸徑厚比大于30:1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通光學(xué)元件徑厚比小于10:1的要求。由于徑厚比大,所以光學(xué)元件在加工和測(cè)量的過(guò)程中很容易受到重力、裝夾力等的影響而變形,影響加工和檢測(cè)的精度。介紹了采用新興的數(shù)控加工技術(shù)有效的避免了加工過(guò)程中各種裝夾力、重力對(duì)面型的影響;通過(guò)優(yōu)化參數(shù),加工效率也得到了有效的提高。

1 引　言

　　在ICF裝置中使用了成千上萬(wàn)的光學(xué)元件,這些光學(xué)元件尺寸大,所要求的加工精度高。薄型光學(xué)元件的種種優(yōu)點(diǎn)使其在此領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在高功率固體激光裝置上,熔石英材料的屏蔽片就是典型的薄型光學(xué)元件,例如外形尺寸為320 mm320 mm10 mm,加工要求為單次透射波前畸變/6(;=6328 nm)。由外形尺寸可知,其徑厚比為45∶1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通光學(xué)元件徑厚比小于10∶1的要求。由于徑厚比大,所以光學(xué)元件在加工和測(cè)量的過(guò)程中很容易由于重力、裝夾力而變形,影響加工和檢測(cè)的精度。如何在加工和檢測(cè)過(guò)程中避免外力的影響,提高加工效率是筆者研究的目標(biāo)。

2 加工過(guò)程中裝夾變形的影響

　　不論是在傳統(tǒng)冷加工過(guò)程還是在數(shù)控加工過(guò)程中,元件的裝夾定位都將導(dǎo)致光學(xué)元件不同程度的彈性變形。傳統(tǒng)加工的加工方式?jīng)Q定了它是將裝夾變形后的元件表面面型向絕對(duì)平面或球面的趨勢(shì)加工。這樣在光學(xué)元件加工完成后,從裝夾中取出時(shí),因裝夾引起的彈性變形得到恢復(fù),面型又發(fā)生了變化。

　　由上面的分析可知,傳統(tǒng)的加工方式即使在理想的加工去除下,也不能克服由裝夾而產(chǎn)生的元件變形帶來(lái)的影響。傳統(tǒng)的加工方式若要得到好的加工結(jié)果,必須在元件加工的裝夾方面作重大改進(jìn),使裝夾不產(chǎn)生彈性形變,而這對(duì)于徑厚比為45∶1的光學(xué)元件來(lái)說(shuō)是相當(dāng)困難的。

　　上面只考慮了裝夾力對(duì)加工的影響,而加工本身由于工具與工件之間的作用也將產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的加工應(yīng)力。綜合定量地考慮這些受力情況是相當(dāng)復(fù)雜的。

　　數(shù)控加工方式與傳統(tǒng)加工方式有本質(zhì)的不同。數(shù)控加工是用小磨頭對(duì)光學(xué)元件的局部進(jìn)行修磨,修磨的范圍大小和深度多少可以方便地控制。由于用小磨頭加工,加工時(shí)的加工應(yīng)力也只影響加工的局部,所以對(duì)面型的影響是相當(dāng)有限的。

3 數(shù)控實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

　　實(shí)驗(yàn)所使用的數(shù)控機(jī)床是從俄羅斯引進(jìn)的AD1000型數(shù)控拋光機(jī)。AD-1000采用龍門式結(jié)構(gòu),可使工具主軸(Z軸)沿X、Y坐標(biāo)移動(dòng),工具可沿Z軸移動(dòng)。工具在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)方向上的移動(dòng)速度和距離可通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制。工件固定在工作臺(tái)上,不可轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　該機(jī)床的工具繞Z軸作圓環(huán)擺動(dòng)(公轉(zhuǎn)),同時(shí)在摩擦力的作用下,工具又有自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工具的自轉(zhuǎn)中心到Z軸的距離(偏心距)手動(dòng)可調(diào),圓環(huán)擺動(dòng)速度(工具主軸轉(zhuǎn)速)可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制。

　　機(jī)床加在工具上的壓力采用氣動(dòng)加壓,壓力的大小可視工件材料、尺寸及去除量手動(dòng)調(diào)節(jié)(在一個(gè)加工循環(huán)中,壓力是恒定的)。

　　試驗(yàn)件外形尺寸為320 mm320 mm10 mm的熔石英玻璃。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果和收斂效率

　　此元件的初拋光采用傳統(tǒng)單軸機(jī)進(jìn)行,在經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的拋光后,面型達(dá)到兩次透射波前4302。由于傳統(tǒng)加工的裝夾和加工時(shí)的受力情況影響,所以使元件面型變化劇烈。用樣板觀察反射面型,需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間面型才能穩(wěn)定下來(lái)。而工件在傳統(tǒng)中的裝夾方式?jīng)Q定了它在一次加工中不方便在干涉儀上檢測(cè)透射面型。因此此時(shí)傳統(tǒng)加工方式已不能有效地加工以提高精度了。

　　在這種情況下采用了數(shù)控加工。直接以透射波前畸變?yōu)榧庸つ繕?biāo),指導(dǎo)加工過(guò)程。由于透射波前畸變對(duì)受力產(chǎn)生的面型彎曲變化不敏感,因此測(cè)量不需要很長(zhǎng)的平衡時(shí)間,測(cè)量的可重復(fù)性也很高。

　　經(jīng)過(guò)19次數(shù)控加工,面型穩(wěn)定地收斂,最后達(dá)到單次透射波前畸變0180。每次數(shù)控加工的時(shí)間根據(jù)面型的實(shí)際情況由幾十分鐘到數(shù)小時(shí)不等。

　　在加工過(guò)程中,通過(guò)加工參數(shù)的優(yōu)化,在加工的不同時(shí)期相應(yīng)地采用不同的加工參數(shù),以便在提高效率的同時(shí)降低小磨頭加工所容易引起的局部誤差。實(shí)踐證明加工效果較好。整個(gè)加工只用了8天的時(shí)間。

5 實(shí)驗(yàn)分析

　　由面型的收斂效率曲線可見(jiàn),數(shù)控加工參數(shù)優(yōu)化后,面型的收斂是相當(dāng)穩(wěn)定的,基本上不產(chǎn)生面型的反復(fù)跳動(dòng)。數(shù)控加工基本克服了薄板由于裝夾和加工時(shí)受力所帶來(lái)的對(duì)面型的影響。面型收斂效率相當(dāng)可觀。在面型誤差較大時(shí),面型每次收斂的量也較大;在加工結(jié)果接近最終要求時(shí),面型的收斂約為每次005。

　　在形成的最終面型上可以看出:數(shù)控加工產(chǎn)生的少量局部面型突變是小磨頭加工的固有缺陷,在本次實(shí)驗(yàn)中通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化,已使這種局部面型的突變得到了很大程度的抑制。