熔石英玻璃磁辅助抛光技术研究：提高强激光元件加工效率和表面质量

熔石英玻璃磁辅助抛光技术研究：提高强激光元件加工效率和表面质量

熔石英玻璃作为典型的宽禁带介质材料，广泛应用于制造光栅、真空窗口、屏蔽片和透镜等器件。为了实现高精度熔石英玻璃的批量制造，国内外普遍采用'磨削成形→精密研磨→超精密抛光'的工艺流程。其中，抛光加工作为光学材料精密/超精密制造工序的最后一个步骤，对元件的加工质量和表面完整性有着重要作用。

传统的化学机械抛光技术通过化学能和机械能的耦合作用获得光洁平整的表面，但由于工件在加工过程中受到磨粒的法向切削作用，很容易在表面以下产生划痕、微裂纹或凹坑等机械缺陷，这些缺陷在强激光辐照下极易诱导材料的熔融炸裂损伤。近年来，利用流体动压剪切进行材料去除的磁辅助抛光技术得到了国内外学者的广泛关注，并已逐渐发展为强光元件'近零'缺陷表面的加工方法。根据抛光液中磁性微粒（微米级铁粉或纳米级四氧化三铁）的不同，磁辅助抛光技术主要分为磁流变（Magnetorheological Fluid, MRF），磁流体（Magnetic Fluid, MF）和磁性复合流体（Magnetic Compound Fluid, MCF）抛光3种。磁辅助抛光利用磁性微粒、非磁性磨粒、纤维素和去离子水等形成黏稠性的半固态柔性抛光头，抛光头下方的磨粒与工件发生接触、相对运动和微切削作用而实现低损伤、高精度抛光。

Shi等基于弹塑性变形理论分析了弹性MRF 抛光的可行性，并通过改变磁流变液组分和抛光参数实现了大口径熔石英玻璃的化学主导弹性磁流变抛光，最终获得粗糙度Ra为0.167nm的超光滑表面。Jiang 等对比了传统MCF抛光和超声辅助MCF 抛光过程中工件所受法向抛光力、切向抛光力、材料去除率和表面粗糙度的差异，结果表明，超声辅助抛光有利于提升工件的材料去除率和表面光洁度。Guo等研究表明，在端面MCF 抛光过程中，BK7 玻璃的材料去除率与载液盘转速呈正相关关系，与抛光间隙负相关，并建立了与工件切向力和法向力有关的材料去除率模型。上述研究从理论和实验上研究了磁辅助抛光技术的材料去除机理和表面质量形成机制，推动了磁辅助加工技术在光学制造领域的应用。

本文采用不同抛光间隙和不同铁粉体积比的磁性抛光液对熔石英元件进行不同时间的磁辅助抛光加工，并对熔石英的材料去除率、表面粗糙度和透过率等进行分析与评价，结合对空间磁感应强度仿真计算，明确空间磁感应强度和铁粉体积比对材料去除效率和表面质量的影响，提出'小抛光间隙+高铁粉比例抛光液→大抛光间隙+低铁粉比例抛光液'的抛光工艺，为实现高效低缺陷的强激光元件加工提供了理论基础和技术支撑。

实验

2.1 样品制备

本实验使用自主搭建的圆周式抛光机床对熔石英玻璃元件进行磁性辅助抛光。抛光设备如图1 所示，水平主轴驱动一磁通密度为0.4T的铷铁硼（Nd-Fe-B）环形磁铁以nt的转速回转，形成空间动态磁场，磁铁左右两端面各安装一块环形聚乳酸树脂（PLA）挡板，磁铁和挡板具有相同的外径40mm和内径25mm，厚度分别为8mm和4mm。环形挡板和环形磁铁共同构成抛光轮，抛光轮与其下方的工件之间存在抛光间隙δ。以40mm×40mm×5mm的熔石英玻璃为加工对象，工件在抛光前经W5-W10碳化硅双面研磨，初始表面粗糙度Ra为0.2-0.25μm，亚表面裂纹深度在4.5μm以内。

关键词：

熔石英玻璃、宽禁带介质材料、光栅、真空窗口、屏蔽片、透镜、磨削成形、精密研磨、超精密抛光、化学机械抛光技术、磁辅助抛光技术、磁流变、磁流体、磁性复合流体、弹塑性变形理论、粗糙度Ra、材料去除率、表面光洁度、端面MCF 抛光、BK7 玻璃、载液盘转速、空间磁感应强度、铁粉体积比例、圆周式抛光机床、铷铁硼、Nd-Fe-B、聚乳酸树脂、抛光轮、抛光间隙、W5-W10碳化硅双面研磨、亚表面裂纹深度