连续位相板加工参数优选及去除函数相关面形误差分析

发布时间：2020-10-13 12:04

　　 连续位相板具有复杂的表面微结构,能够实现惯性约束核聚变光学系统中远场能量的匀强调制,但承受着强激光高能辐照,存在极高的损伤风险,因此,定期更换成为保证整个系统正常运行的必要手段。然而,大口径连续位相板大去除、高陡度的特点使其加工成为光学制造领域的重大技术难题。大气等离子体加工技术是一种基于大气环境下化学反应实现高效材料去除的加工方法,加工过程不引入亚表层损伤,不会降低光学元件的损伤阈值,且该方法设备维护成本低,具备加工连续位相板的巨大潜力。目前,该技术已应用于加工连续位相板,但工艺、误差分析仍不够成熟,因此,本文将针对大气等离子体加工连续位相板的参数优化及误差来源开展系统性的分析,为实现连续位相板的高精高效加工提供理论和实验基础。本文首先通过数值仿真分析探究了不同大气等离子体加工参数对面形误差的影响。基于频谱分析和采样定理明确了各加工参数的取值范围。在此基础上,设计正交试验,分析了各加工参数对面形误差、加工耗时等的影响规律。最后,综合考虑加工精度、加工时间,优选了加工参数组合,为后续连续位相板的实验研究提供了清晰可靠的加工参数优选方法。面形误差分析要求检测面形与目标面形精确匹配,基于该需求研究了粗、精匹配结合的面形匹配方法。通过复杂空间面形,如正弦网格面形和连续位相板面形的匹配结果,验证了匹配算法的准确性。结果表明,匹配误差仅为理想面形设计值的1510-~1410-量级,满足匹配精度要求。开发了基于MATLAB的面形匹配软件,将匹配流程化,大幅提高了面形误差分析效率。最后,基于上述研究,进行了一系列连续位相板加工实验,分析了去除函数变化对加工面形误差的影响规律。其中,去除函数稳定性、去除函数非线性、去除函数一致性对面形误差影响作用依次增大,引入的面形误差最大可达300nm RMS。综合以上研究成果,通过参数优选、标定实验及算法补偿,完成了430mm×430mm×3mm位相板的加工,加工时长为13.6h,误差面形RMS值最优可达160nm,PV值为1mm,并分析确定了误差主要来源为去除函数的一致性变化,验证了本文加工面形误差分析的合理性及可靠性,确定了迭代加工以提高精度的必要性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH74
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究背景和意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 课题研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状及分析
        1.2.1 连续位相板加工方法
        1.2.2 光学加工中面形误差来源分析
    1.3 国内外文献综述简析
    1.4 本课题主要研究内容
第2章 大气等离子体加工工艺参数优选的仿真研究
    2.1 引言
    2.2 加工工艺参数对面形误差影响的试验设计
        2.2.1 多因素模型影响规律研究的试验设计方法
        2.2.2 正交试验因子水平选取
    2.3 加工工艺参数对面形误差的影响规律
        2.3.1 误差面形RMS值的变化规律
        2.3.2 加工所需时长的变化规律
        2.3.3 误差面形PV值的变化规律
    2.4 加工工艺参数组合优选
    2.5 本章小结
第3章 连续位相板加工面形的匹配研究
    3.1 引言
    3.2 面形粗匹配基本思想及实现
        3.2.1 面形数据平移对齐
        3.2.2 面形数据旋转对齐
    3.3 面形精匹配基本思想及实现
        3.3.1 迭代最近点算法原理
        3.3.2 连续位相板面形精匹配算法设计
    3.4 面形匹配算法精度验证
        3.4.1 正弦网格面形匹配
        3.4.2 连续位相板面形匹配
    3.5 面形匹配软件开发
        3.5.1 面形导入模块
        3.5.2 面形粗匹配模块
        3.5.3 面形精匹配模块
    3.6 本章小结
第4章 去除函数变化引入的面形误差分析
    4.1 引言
    4.2 去除函数稳定性对面形误差的影响
        4.2.1去除函数稳定性实验
        4.2.2 去除函数稳定性引入的面形误差分析
    4.3 去除函数非线性对面形误差的影响
        4.3.1 去除函数非线性引入的面形误差分析
        4.3.2 非线性加工误差的补偿
    4.4 去除函数一致性对面形误差的影响
        4.4.1 去除函数一致性引入的面形误差分析
        4.4.2 一致性加工误差的实验验证
    4.5 大口径连续位相板加工实验
        4.5.1 第一次大口径连续位相板加工结果分析
        4.5.2 第二次大口径连续位相板加工结果分析
    4.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢

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本文编号：2839146