激光核聚变光学元件超精密加工技术的研究

　　1　引　言

　　在激光核聚变需求的牵引下,美、日、法、中、英、俄等国先后建造了20多台大型激光装置。美国和法国正分别建造“国家点火装置”(NIF)和兆 焦耳激光器,俄国计划建造Iskra-6激光装置,我国正在研制神光Ⅲ激光装置。在上面的所有激光装置中,都需要大量的高精度、大口径光学元件。例如美国 的NIF,在其光学系统内,用于全口径(0·5~1m)光束的光学元件超过7000多件,还有15000~20000件较小的光学元件[1]。在大口径光 学元件中,主要有平板玻璃、KDP晶体、方形透镜三类光学元件,它们的特征是高精度面形、超光滑表面、大口径及大批量。

　　神光Ⅲ激光装置中的光学元件的综合技术指标已超过国内现有的制造水平和加工能力。国内光学制造业已认识到了完成神光Ⅲ光学元件制造任务的难度和 艰巨性。所以要想按期、保质、保量地制造这些光学元件,必须突破现有的工艺技术,采用高效的先进制造技术。本文借鉴美国NIF的经验,结合我国的实际情 况,将超精密加工技术应用到激光核聚变光学元件的精密制造中。

　　2　脆性材料延性加工机理的研究

　　为了提高生产效率和满足批量生产的需要,把研磨抛光工序磨削化,通过延性磨削(Ductile Grind-ing)或使用最小抛光量直接加工出能满足光学质量要求的光学零件。在一定的控制条件下,使用单个或多个金刚石工具,能直接加工诸如玻璃之类 的脆性材料。因为材料是由塑性流动方式去除的,所以加工表面没有损伤和没有裂纹,这个工艺过程称为“延性”或“塑性”方式加工[2]。延性加工具有以下优 点:

　　(1)表面无损伤、无裂纹;

　　(2)加工效率可以与单点金刚石车削相媲美,高于传统的抛光加工;

　　(3)可为离子束加工或传统的精密抛光提供高质量的预加工。

　　要想实现延性方式加工必须解决两个问题,即加工机械的运动精度和被加工件以及被加工材料微小切屑的生成。因此一方面需要高精度、高刚度的加工机 床;另一方面延性方式磨削需要高精度、高刚性及高保持性的砂轮。延性方式车削需要大的负前角的刀具,切削厚度必须小于临界切削厚度。

　　3　大口径平面光学元件超精密加工技术的研究

　　NIF装置中大约有80%的光学元件为平面光学元件,是最昂贵的光学元件。例如仅在第一期工程中就使用了3000块 800mm×460mm×40mm的激光玻璃板。神光Ⅲ工程中的光学元件大多数是矩形或方形元件,同圆形元件相比,这些元件的加工具有明显的边缘效应(特 别是四个角)。就目前的技术水平而言,要想达到神光Ⅲ要求的透射波前(λ/6)和反射波前(λ/4)是比较困难的,所以在大口径平面元件的制造中必须采用 先进的制造技术。