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紫外熔石英元件弹性域低缺陷射流抛光关键技术研究

紫外熔石英元件弹性域低缺陷射流抛光关键技术研究

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作者：宋家亮国防科技大学

学位级别：硕士

熔石英光学元件应用广泛,其加工方法以材料去除为主,包括磨削、研磨和抛光等。传统的研磨抛光会在工件表面和亚表面产生机械破碎性缺陷和污染性缺陷,影响熔石英光学元件的应用。因此,为了提升熔石英元件的光学性能,需要一种超光滑低缺... 详细信息

熔石英光学元件应用广泛,其加工方法以材料去除为主,包括磨削、研磨和抛光等。传统的研磨抛光会在工件表面和亚表面产生机械破碎性缺陷和污染性缺陷,影响熔石英光学元件的应用。因此,为了提升熔石英元件的光学性能,需要一种超光滑低缺陷加工方法进一步降低或去除工件表面的机械破碎性缺陷和杂质污染性缺陷。本文将弹性域无损加工理论和磨料水射流抛光方式相结合,研究了紫外熔石英元件弹性域低缺陷射流抛光的关键技术。弹性域射流抛光通过界面化学吸附反应在熔石英元件弹性域范围内去除材料,不会产生表面和亚表面损伤,可以实现低缺陷超光滑表面加工。本文主要研究内容包括以下三个方面:(1)熔石英元件弹性域射流抛光机理研究。首先,通过分子模拟仿真软件对弹性域射流抛光中的化学去除过程进行了建模仿真,根据体系能量验证了弹性域射流抛光去除原子级材料的可行性。然后,建立了单个原子去除最小机械能与抛光颗粒粒径和射流速度的关系式,将微观的原子级材料去除和宏观的工艺参数建立联系,为实际加工提供理论指导。最后,基于能量守恒理论推导出大粒径抛光颗粒与工件表面的碰撞模型,分析了不同粒径的抛光颗粒对元件表面的作用力,完善了弹性域射流抛光中抛光颗粒与光学元件表面的碰撞模型,计算得到了氧化铈抛光熔石英元件的弹-塑性域边界条件,并通过实验验证。(2)熔石英元件弹性域射流抛光加工特性规律研究。首先,对HF酸动态酸刻蚀后的熔石英样品进行弹性域射流抛光,测量了不同去除深度下的粗糙度和表面形貌,得到弹性域射流抛光对表面质量的加工规律。然后测量了熔石英样品在不同去除深度下的光热弱和激光损伤阈值,得到弹性域射流抛光对熔石英元件激光损伤阈值的影响规律。最后测量了不同去除深度下的污染元素浓度,总结了弹性域射流抛光对破碎性缺陷和污染性缺陷的去除规律。(3)弹性域射流抛光装置和工艺优化研究。首先,对现有射流抛光循环装置进行了优化,然后根据不同喷嘴加工用时和流量需求初步设计阵列喷嘴,利用流场仿真分析了不同组合阵列喷嘴的压强分布和流体速度,确定阵列喷嘴方案并进行可行性实验验证。最后,通过选取不同射流参数组合优化了抛光工艺,进一步提升了射流抛光的效率。

关键词：射流抛光分子模拟仿真弹性域加工低缺陷 Fluent仿真效率提升

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