光学元件聚氨酯抛光特性研究

　　1 引 言

　　平面光学元件的数量在强激光系统装置中占有很大比重，其作用也是举足轻重的，如美国的强激光系统 NIF(National Ignition Facility)装置使用 7 500 余件大口径光学元件[1]，计划用5 年时间生产完成，这给光学加工界带来了极大的挑战，因此高精度大批量平面元件的生产就成为亟待解决的问题。在传统的光学加工中，往往会通过增加人力、物力等方式来提高元件的产量，但是在元件需求数量极其庞大的情况下，这种办法就会显得捉襟见肘;同时，增加人力物力等会使加工成本急剧增加，带来一系列不可预知的问题。因此，通过改进加工理念、加工原理、加工工艺因素等来提高加工效率就迫在眉睫。平面快速抛光技术即是为了解决中高精度大口径平面光学元件的批量加工而提出的。

　　传统的光学加工一般是经过单轴机粗磨、磨砂、初抛光和环抛等阶段，加工出符合要求的平面光学元件[2]。在此加工工序中，初抛光和环抛所需时间最长，是光学加工的瓶颈，而初抛光阶段的加工质量对环抛阶段的加工时间、加工效率以及加工结果都有很大影响。因此平面快速抛光技术即从初抛光阶段着手，结合超精密磨削和机械化学抛光工艺，使初抛光阶段的加工时间显著缩短，极大地提高了加工效率。

　　2 实验方法

　　实验使用PPS100(北京诺斯泰格精密技术公司)快速抛光机，其原理如图1。元件通过真空橡胶膜吸附于夹具上，压力经工件盘传递至元件，而且压力的大小可以通过计算机控制器精确控制;下面是抛光盘，表面贴有一层薄的聚氨酯抛光模(～1.2 mm 厚);右边为聚氨酯修整器，表面粘有金刚石丸片，用于修正聚氨酯抛光模;抛光液由恒温系统封闭回路供给。

　　相比于传统抛光所使用的沥青，快速抛光使用的聚氨酯抛光垫具有以下优良的物理性质[2-3，15]：多孔性，可以存留大量的抛光粉颗粒，从而提高抛光效率，同时可以减少光学元件与抛光垫的实际接触面积，利于抛光液的流动，加快抛光过程中摩擦热量的散失，从而有利于稳定光学元件加工面形;高的弹性模量使高转速成、大压力为可能，从极大提高材料去除率;聚氨酯耐磨且保形性好，一旦面形修整之后，可以在很长时间内不需要再次修整面形，而且加工出来的批量元件面形基本一致。

　　实验使用330 mm×330 mm×35 mm 的 BK7 方形元件和 330 mm×330 mm×10 mm 的熔石英元件，实验中抛光盘转速始终等于元件转速。材料去除率的测量采用千分表(Mitsutoyo，精度 1 μm)进行测量。测量时，千分表固定于Z2轴，通过控制Z2轴的运动(精度为 1 μm)进行测量，分别测量方形元件的四个角和各边中点。每抛光一小时测量一次，整个测量过程中，千分表始终固定于Z2轴不动。