加速度场诱导微纳粒子高动能冲击抛光的原理与工艺研究

Research on the novel process of electromagnetic particle launch polishing for optical surfaces. In the field, the particles would be launched under the action of the Lorentz force with high momentum. When escape from the field, the launched particles would impact and polish the workpiece surface. Based on electromagnetic launch, continuous puch and accelaration, electromagnetic particle launch system will be designed to control the particle status and reveal the material revomal. By virtue of the theoretical model, the effection of different electromagnetic fields on the distribution of particles need to be studied, and make a description on the precision and scale effects. In order to make polishing experiments, we need to discover the model on the relationship between the Lorentz force and particle scale, electrical conductivity of particles, serializational features of particles, and the Uniformal acceleration. The promising advantage of the process is flexible polishing, i.e., low-stress removal, which makes the high quality free-defect polishing possible. To make a further research and understand the novel process is valuable.

研究电磁弹射（Electromagnetic Particle Launch）抛光新工艺，其弹射微纳粒子受到洛伦兹力作用产生定向运动，经加速度推进之后具有高动能，当逸出场作用范围后以一定惯量冲击工件实施抛光。基于电磁激发、连续推动、粒子加速等多能级耦合的协调激发原理，研究电磁弹射系统结构设计调控粒子状态的微观物理机制，揭示连续能量促动粒子冲击抛光精度等的微观机理。基于理论模型，研究不同特性电磁能量影响粒子耦合分布规律，及其与不同光学材料间的作用机制，描述电磁弹射微纳加工过程中的精度尺度效应。应用在光学抛光方面，需要探索洛伦兹力与粒子尺度质量的关联模型、粒子的导电特性、粒子序列化特征、加速均匀且力量可控等。本项目提出技术的可预见优势是实现材料的柔性抛光去除，即“低应力”特点，是有可能实现基于粒子控制来改变瞬时局部特性的高质量低应力抛光的一种新方法，值得探索和尝试进而突破原理及技术上的关键点。

在高精度光刻机、激光约束核聚变、高分辨遥感观测等领域对其关键光学元件呈现出高面形精度、低表面粗糙度、尽可能小的表层和亚表层损伤、表面残余应力小、尺寸和结构功能日趋多样的技术特征。项目提出粒子加速的弹射抛光方法，涉及制造、光学、物理、材料等多学科的前沿科学问题，利用微纳粒子加速度冲击光学元件表面实现低应力抛光制造，是实现基于粒子控制来改变瞬时局部特性的高质量高精度低应力抛光的一种新方法。.项目研究内容包括1)场控粒子的动态行为及演变规律，建立场控粒子模型和结构，分析复合场作用机理和分析场控作用下单层/多层导电性粒子之间的相互作用以及约束机制、基载液导电式普通粒子的行为规律；2)弹射抛光的多维特征及其与材料界面作用机理，以及不同尺度粒子在不同特征电磁场能量耦合下的分布规律，及其与工件间的作用机制；3）基于连续序列设计和控制粒子状态的电磁弹射抛光技术研究，揭示对局部粒子状态、局部材料特性、加工过程和结果的影响机理/规律，进而优化参数设计，开展多参数实验，实现不同工件材料的局部微观精度的纳米抛光。.项目建立了电场作用下的微粒结合模型，从微观的角度讨论粒子结合力，并针对轮式电极，对抛光区域的电场进行分析；通过保角变换、Schwarz–Christoffel变换，建立了该模型下电场分布特征，进而获得了微粒间的有效作用力。项目对弹射微粒的材料去除机理进行了深入研究，揭示了微粒与光学表面去除时的运动特性和剪切特性，建立了弹射抛光去除模型，仿真和实验获得了工艺参数；并针对光学元件表面粗糙度使用PSD和角谱方法进行频率域评价，通过精密抛光对小尺度波纹进行有效去除，获得了远高于超精密抛光的频率域指标。.项目累计发表论文24篇，其中SCI检索论文22篇；申请国家发明专利5项，其中获得授权发明专利2项，授权实用新型专利5项；参加国际学术会议3次；培养硕士研究生12名，博士研究生6名；指导博士获得中国光学学会2018年优秀博士论文提名奖。