光柵機(jī)械刻劃顫振機(jī)理的研究

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1、光柵機(jī)械刻劃顫振機(jī)理的研究第一章緒論1.1課題研究目的及意義衍射光柵是一種十分重要的光學(xué)元件，規(guī)則地配置著線(xiàn)、縫、槽或者光學(xué)性質(zhì)變化的物質(zhì)⑴。近年來(lái)，隨著微納加工技術(shù)和微光學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，衍射光柵廣泛應(yīng)用于光譜儀、光計(jì)算、光學(xué)通訊、光學(xué)信息處理、光學(xué)精密測(cè)量和慣性約束激光核聚變等諸多領(lǐng)域正如George.R.Harrison所說(shuō)我們很難找出另一種像衍射光柵這樣的給眾多科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更為重要信息的簡(jiǎn)單器件。衍射光柵的制造歷史至今已有一百多年，依賴(lài)光柵理論上的突破和先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，衍射光柵的制造技術(shù)在不斷的改進(jìn)，衍射光柵的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也得到了不斷的改善。光柵常用的

2、制作方法有機(jī)械刻劃法、真空蒸發(fā)法、全息法等機(jī)械刻劃是利用超精密光柵刻劃?rùn)C(jī)驅(qū)動(dòng)金剛石刻劃刀在鍍有錯(cuò)膜的基底上進(jìn)行刻劃，通過(guò)刻劃刀對(duì)鍋膜材料進(jìn)行擠壓、摩擦，使得招膜材料發(fā)生彈塑性變形，進(jìn)而形成具有槽形結(jié)構(gòu)的光柵。近年來(lái)，雖然激光全息法制作光柵得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)于加工閃耀光柵及高密度刻線(xiàn)的衍射光柵,全息法還存在諸多的技術(shù)困難。尤其是對(duì)于中階梯光柵、紅外光柵等特殊光柵,必須采用機(jī)械刻劃的方式來(lái)制作此外，和全息、復(fù)制等制作方法相比，機(jī)械刻劃法是制作原刻母版光柵的主要方法，對(duì)于低槽線(xiàn)密度、大面積的光柵制作來(lái)說(shuō)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)》。所以各國(guó)的光柵科研人員不斷地釆用新技術(shù)提

3、高刻劃?rùn)C(jī)的性能，運(yùn)用光柵新理論改善光柵刻劃工藝。1.2光柵刻劃?rùn)C(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀最早的光柵是由天文學(xué)家Rittenhouse制作的。1786年，他在兩根細(xì)牙螺絲之間平行地繞上細(xì)絲，透過(guò)它去看暗室里百葉窗上的小狹縫時(shí)，觀察到三個(gè)亮度相近的像，在每邊還有另外幾個(gè)像。離主線(xiàn)越遠(yuǎn)，它們?cè)桨档?，有色彩，并且有些模糊。他?shí)際上制成了透射光柵，還在費(fèi)城做了光柵實(shí)驗(yàn)。1823年，夫浪和費(fèi)制造出了第一塊真正意義上的衍射光柵。1870年，盧瑟福在50mm寬的反射鏡上用金剛石刻刀刻劃了3500條刻槽，這是第一塊分辨率與棱鏡相當(dāng)?shù)难苌涔鈻臶17]?，F(xiàn)代衍射光柵之父H.A.Rom，刻線(xiàn)長(zhǎng)

4、度至300mm，刻線(xiàn)密度范圍是20?1500g/mm。MIT-B刻劃?rùn)C(jī)是用定的雙頻激光干涉儀控制的，它不但能監(jiān)測(cè)工作臺(tái)的位置，還可以矯正擺角偏差。這臺(tái)刻劃?rùn)C(jī)刻出的光柵分辨率幾乎和理論分辨率一致，幾乎消除了羅蘭鬼線(xiàn)并使雜散光降到最低。此外，該刻劃?rùn)C(jī)還刻劃出了近乎完美的中階梯光柵，這是對(duì)光柵刻劃?rùn)C(jī)要求最為茍刻的應(yīng)用。第二章光柵機(jī)械刻劃摩擦型顛振機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)模型2.1引言本章主要從形成系統(tǒng)不穩(wěn)定性的著眼點(diǎn)對(duì)光柵機(jī)械刻劃摩擦型顫振機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)金剛石尖劈刀和彈性刀架建立振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)豎直Z向單自由度振動(dòng)進(jìn)行了具體的穩(wěn)定性分析，并從能量的角度對(duì)顫振進(jìn)行了

5、研究分析。顫振的發(fā)生需要兩個(gè)條件：第一，系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近的不穩(wěn)定性。第二，迫使系統(tǒng)的工作點(diǎn)略為偏離平衡點(diǎn)的外界擾動(dòng)。顫振是一種擾激振動(dòng)，因?yàn)樗偸前l(fā)端于某一個(gè)偶然的外界擾動(dòng)，只是由于這個(gè)擾動(dòng)的大小與形式無(wú)關(guān)緊要，并且現(xiàn)實(shí)世界又總是充滿(mǎn)了各種各樣的擾動(dòng)（如硬質(zhì)點(diǎn)引起的材料致動(dòng))，因此第二個(gè)條件總是滿(mǎn)足的，所以只要系統(tǒng)本身在平衡點(diǎn)附近的不穩(wěn)定性一旦形成，則只需某個(gè)偶然擾動(dòng)出現(xiàn)，即引發(fā)顫振，所以我們對(duì)顫振進(jìn)行研究的著眼點(diǎn)和方法與對(duì)自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的研究不同：無(wú)須研究引發(fā)振動(dòng)的那個(gè)偶然擾動(dòng)的大小和形式，也無(wú)須探討這種擾動(dòng)與它所激起的振動(dòng)之間的關(guān)系，而是著重研究形成系

6、統(tǒng)自身不穩(wěn)定性的機(jī)理與規(guī)律金屬切削的一般理論論述的全是穩(wěn)定狀態(tài)的切削過(guò)程。顫振也是一個(gè)切削過(guò)程，然而是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)特性的切削過(guò)程，因此顫振理論是論述非穩(wěn)定狀態(tài)下（即具有振動(dòng)條件下）的金屬切削過(guò)程。顫振的最重要特性就是它不是由外界周期力所引起的，造成和維持顫振的力是在振動(dòng)過(guò)程（動(dòng)態(tài)切削過(guò)程）中自行產(chǎn)生的。因此，顫振是從切削工作中吸收能量以維持自身振動(dòng)的。2.2光柵機(jī)械刻劃過(guò)程簡(jiǎn)介光柵機(jī)械刻劃是由光柵刻劃?rùn)C(jī)帶動(dòng)金剛石刻劃刀對(duì)光柵招膜進(jìn)行擠壓拋光，使其發(fā)生形變形成刻槽的。金剛石尖劈刀是常用光柵刻劃任務(wù)首選的光柵刻劃刀具類(lèi)型，由于尖劈刀需要的負(fù)載相對(duì)較小，所以尖劈刀比

7、圓弧刀更容易發(fā)生振動(dòng)在此研究的顫振也是以尖劈刀刻劃為主。尖劈刀由定向面、非定向面、倒角面、一條主刻劃刃和兩條副刻劃刃構(gòu)成，三條刻劃刃相交的那一點(diǎn)即為刀尖，尖劈刀的主要標(biāo)注角度為定向角、刀尖角和后倒角，尖劈刀的刀具結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。尖劈刀刀刻劃光柵過(guò)程如下圖2.2所示，刻劃刀壓入鍋膜至預(yù)定刻劃深度后開(kāi)始沿著刻劃方向運(yùn)動(dòng)，刻劃刀的主刻劃刃會(huì)將鍋膜表面切開(kāi)，被切開(kāi)的鍋膜材料會(huì)沿著兩側(cè)刀面流出，兩側(cè)刀面對(duì)流動(dòng)的材料進(jìn)行擠壓摩擦。在材料內(nèi)力和刻劃刀擠壓摩擦力的作用下，大體材料先橫向推幵，然后向上運(yùn)動(dòng)堆積在刀面兩側(cè)形成隆起，這符合超精密加工過(guò)程中側(cè)向塑流原則。隨著刻劃

8、刀的運(yùn)動(dòng)，刀面兩側(cè)的隆起越來(lái)越高，由于