衍射光栅机械刻划理论及刀具设计研究

低刻线密度、大面积原刻衍射光栅是高功率激光器和高分辨率光谱仪器的主要光学元件。随着天文物理学、同步辐射工程、激光核聚变等一些大型高技术工程项目的陆续开展，对衍射光栅尤其是大面积衍射光栅的技术性能提出了更高的要求，如美国的LLNL国家实验室研制用于激光核聚变的光栅面积已经达到940×750mm。目前，我国光栅设计与光栅制造严重脱节，机械刻划理论滞后于光栅设计理论。衍射光栅刻划精度的控制主要依赖操作者经验，金刚石刻刀的设计和工艺参数选择缺乏理论依据。本项目以实现79g/mm中阶梯光栅高效、高精度刻划为对象，围绕金刚石刻刀设计、刻划工艺参数和磨损特性开展了刻划光栅膜层材料弹塑性变形机理、塑性流动规律及光栅槽形精确控制方法研究。. 基于滑移现场理论建立了光栅膜层材料的侧向塑流隆起高度数学模型；基于纳米压入/划入测试技术进行了铝膜力学性质的弹塑性分析，结合无量纲理论和压入数值仿真分析反演求解了铝膜的应力-应变弹塑性本构关系曲线，并建立了光栅机械刻划过程的有限元可视化动态仿真模型；探索了刻划过程中膜层材料的弹塑性流动规律：即刀具接触表面的材料运动虽有沿前刀面向前移动的趋势，但受到前刀面的侧向挤压力影响而被横向推开，然后向上运动，并最终通过两个刻刀侧刃钝圆的挤压和抛光而形成槽形表面；通过有限元正交模拟，研究了金刚石刻划刀具几何参数、工艺参数对光栅槽形形成的影响规律，并完成了金刚石刻划刀具设计和刻划工艺参数的优化。设计的金刚石刀具刀尖角为87.5°，定向角为62.5°，俯仰后倒角为25°；获得了机械刻划工艺参数的最优取值为：刻划深度3.4μm，滚转角0°，俯仰角4°，方位角0.2°；基于金刚石晶体的周期键链理论建立了金刚石典型晶面间任意晶面、晶向的耐磨比值模型，并提出金刚石刻刀定向面和非定向面的等效磨损理论，将刀刃置于{100}晶面，且刀刃所在方向与<110>方向一致，完成了刀具定向设计；制造了若干把不同后倒角的双头尖劈式金刚石刻刀，并结合模拟和实验研究分析了刻刀的磨损特性；进行了衍射光栅不同负载和不同安装工艺参数的刻划试验，通过对光栅槽形和表面质量的检测，验证了刻划理论分析结果，校正了刻刀后倒角工艺参数；最后，提出了机械刻划衍射光栅槽形控制策略，为实现衍射光栅机械刻划从当前基于经验指导转向精确描述和预测奠定基础。