[发明专利]双柔性磨头磁流变抛光装置

说明书

技术领域

本发明属于光学制造领域，具体涉及一种双柔性磨头磁流变抛光装置，特指一种用于对大口径、高精度位相类光学元件进行磁流变抛光的双柔性磨头磁流变抛光装置。

背景技术

大口径连续位相板(Continuous Phase Plate，CPP)是一种新型的具有连续波面深浮雕拓扑结构的位相类光学元件，主要用于大型激光装置的靶面焦斑整形与光强控制。与传统的随机位相板（Random Phase Plate，RPP）、相息位相板（Kinoform Phase Plate，KPP）以及分布相位板（Distribution Phase Plate，DPP）等位相类元件相比，CPP具有更高的能量利用率、更精确的焦斑形态控制特性，被认为是实现大型激光装置光束匀滑最有效的解决方案。CPP通常采用石英材料制作、大小为430mm×430mm、波面严格连续且面形误差RMS≤30nm、幅值PV≤10μm、周期L≤5mm。CPP的这种“低面形误差、大轮廓深度与小空间周期”浮雕波面结构使其精密制造异常困难，传统的位相元件制造技术，例如多掩模套刻、无掩模直写、灰阶掩模以及刻蚀成型技术均无法满足大口径CPP的制造需求。

磁流变抛光是近十多年来得以迅猛发展的一种确定性子口径抛光技术，它主要利用磁流变抛光液的可控流变特性来进行加工，即通过控制磁场的强度与分布来控制“柔性磨头”的形状与硬度、通过控制“柔性磨头”的运动轨迹及驻留时间参数来控制特定位置的材料去除。与传统的抛光技术相比，磁流变抛光技术具有极高加工精度、极高收敛效率与近无表面缺陷等显著特点，能够高效率、低成本地解决平面、球面、特别是非球面的超精密加工技术难题，被誉为是光学制造界的“革命性”技术。

采用磁流变抛光技术加工大口径CPP的工艺难点主要表现在以下两个方面：一是如何高效地去除前缀工序在CPP元件上所产生的厚达数微米的变质层并快速获得较高精度的光学镜面质量；二是如何在获得的光学镜面上再高保真地刻印出具有“低面形误差、大轮廓深度与小空间周期”特征的浮雕波面。由此可见，大口径CPP磁流变加工对传统的“单柔性磨头”磁流变抛光装备提出了十分严峻的挑战，一方面高效率加工要求装备生成的去除函数形态要大、效率要高，另一方面高保真刻印却要求去除函数的形态要小、效率要低。而传统的“大柔性磨头”磁流变抛光工艺装备尽管能高效地去除变质层和大部分加工量，却无法获得实现CPP高保真刻印所必须的微小去除函数；而传统的“小柔性磨头”磁流变抛光工艺装备尽管能够获得微小去除函数，却无法快速地去除变质层和大部分加工量。因此，大口径CPP磁流变加工必须组合“大、小柔性磨头”的工艺能力。另外，CPP加工还要求磁流变抛光工艺装备的主运动轴应具有更大的速度及加速度响应及调节能力。

根据相关文献及专利可知，已有的磁流变抛光装置主要是为了解决平面类或者透镜类光学元件的高精度加工问题，单柔性磨头配置是这些装置的共同特征。发明名称为“用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置”的中国专利（申请号：200810030898.1）文献，公开了国防科大开发的一种六轴竖直龙门式磁流变抛光机，该装置仅配置了一个较大规格柔性磨头，生成的去除函数形态较大，无法满足CPP的加工要求；发明名称为“用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置” 的中国专利（申请号： 200810031898.3）文献，公开了国防科大开发的一种六轴立式结构磁流变抛光机，该装置仅配置了一个小规格柔性磨头，不具备大口径光学元件的加工能力。目前国内尚无可用于加工位相类元件（例如大口径CPP）的双磨头磁流变抛光方法与装置。

发明内容

本发明提供一种双柔性磨头磁流变抛光装置，本发明不仅可用于大口径位相类元件，例如大口径CPP的高保真、高效率与高抗激光损伤加工，而且可用于大口径平面类光学元件在全口径范围内的高精度加工。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案如下：