[发明专利]一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及脆性光学元件超精密加工领域，具体涉及一种利用单点金刚石铣削(SPDT)法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法。

背景技术

人类对化石能源的严重依赖是环境恶化的主因，寻找新的替代能源刻不容缓。聚变能源清洁、无污染且几乎取之不尽，利用激光控制核聚变来获取能源是未来解决能源问题的理想途径，目前各发达国家对其均给予高度重视。激光驱动器所输出的激光要求具有很好的光束质量、足够高的激光能量和功率密度，为满足该要求需配合使用大量的电光、非线性光学材料元件，如KDP晶体、钕玻璃、K9玻璃、石英玻璃等。激光约束核聚变装置对这些元件的共同要求是高精度面形、超光滑表面，大尺寸以及大的批量，其中，高的面形精度是需要特别重视的技术指标。由于系统光路较长，光学表面较多，元件在制造与装配时形成的面形误差在激光传输过程中会产生较大的静态波前误差，其不仅降低元件的激光损伤阈值，更会影响激光系统的输出光束质量，严重时形成的较大波前畸变将使聚焦光斑弥散，直接导致靶面上能量集中度降低或更为致命的打靶堵孔现象，威胁整套系统安全。且构建系统所需光学元件多为脆性材料，而单点金刚石铣削(Singlepointdiamondturning，SPDT)技术是目前加工脆性材料的一种较好的加工方法，尤其是针对作为Pockels盒和非线性频率转换元件的软脆材料KDP晶体，SPTD法更是以其无塌边等优势而成为目前该晶体加工方法之首选。然而，由于SPTD铣床采用较大直径的“飞刀”盘回转运动去除材料，在加工大尺寸的光学元件时很难保证飞刀盘回转轴线与工作台进给直线方向始终垂直，因而加工过程中极易引入面形误差，较大面形误差会引起严重的波前畸变，其可能会导致整套系统崩溃性破坏，是必须抑制的制造误差。

发明内容

为了解决现有的SPDT法在加工大尺寸光学元件时平面度误差大、面形精度难以保证的问题，本发明提供一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法。

本发明的一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法，它是基于加工机床实现的，所述加工机床包括机座、飞刀盘支架、两个数字水平仪和飞刀盘，所述飞刀盘固定在飞刀盘支架的中心位置，所述两个数字水平仪位于飞刀盘支架上表面，所述两个数字水平仪用于标定飞刀盘的水平位置，还用于测量所述飞刀盘的偏转角度，所述飞刀盘支架底部与机座之间固定有第一楔形球面支撑体、第二楔形球面支撑体和第三楔形球面支撑体，所述第一楔形球面支撑体、第二楔形球面支撑体和第三楔形球面支撑体用于支撑飞刀盘支架，还用于微调所述飞刀盘支架的倾斜角度，所述第一楔形球面支撑体的中心、第二楔形球面支撑体的中心和第三楔形球面支撑体的中心连线组成等腰三角形，其中第三楔形球面支撑体的中心为该等腰三角形的顶点，该等腰三角形的中心点位于飞刀盘的旋转轴线上，所述三个楔形球面支撑体的结构相同，所述每个楔形球面支撑体包括L形支撑板、移动板、球形支撑板、楔形块、调整螺栓和调整螺母，球形支撑板位于移动板上，并且该球形支撑板的球面嵌入移动板内，所述移动板位于L形支撑板上，并且所述移动板的一端与L形支撑板的竖板相邻，所述移动板的底面与L形支撑板的横板之间形成楔形空间，楔形块嵌入在该楔形空间内，所述调整螺栓穿过L形支撑板的竖板后与楔形块的小端螺纹连接，位于L形支撑板外的调整螺母与调整螺栓螺纹连接，所述控制方法的具体过程为：

步骤一：利用干涉仪检测机座上的大尺寸光学元件的平面度形貌及平面度误差Δ，所述平面度形貌为凹面或凸面；

步骤二：根据平面度误差Δ计算飞刀盘轴线倾角，其中，R为飞刀盘的半径，B为大尺寸光学元件的一条边的边长，并且该条边长与机座进给方向垂直；

步骤三：判断步骤一中检测获得的平面度形貌是否为凹面，如果是，则执行步骤四，否则执行步骤五；

步骤四：通过旋进第二楔形球面支撑体的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌入量或旋出第一楔形球面支撑体的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量，以实现飞刀盘偏转角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体的调整螺栓以消除或减小飞刀盘沿垂直机座进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；

步骤五：通过旋进第一楔形球面支撑体的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌入量，或旋出第二楔形球面支撑体的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量以实现飞刀盘偏转角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体的调整螺栓以消除或减小飞刀盘沿垂直机座进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；