本发明属于材料加工领域，涉及光学晶体的表面抛光技术，尤其是一种可溶于水的软脆功能晶体的溶液辅助超精密加工方法。
背景技术：
1、软脆功能光学晶体是一类用作光学介质的光学晶体材料。由于其具有良好的光学性能,软脆功能晶体材料在能源、航空航天、国防、基础物理研究等国家核心战略领域都有广泛的应用。光学晶体磷酸二氢钾(potassium dihydrogen phosphate，简写：kh2po4，简称：kdp)是可溶于水软脆功能性光学晶体的典型代表，具有电光和非线性光学系数大、激光损伤阈值高、光学吸收系数低和从近红外到紫外波段透过率高的特点。当前，kdp晶体是唯一可用于惯性约束核聚变(icf)光路系统中激光倍频、电光调制和光电开关器件的非线形光学晶体。icf工程中需要数百片大尺寸(410mm×410mm×10mm)、超高质量(表面粗糙度为纳米级)的kdp晶体元件，这对kdp晶体的生长和加工提出了极其苛刻要求。但是,kdp晶体具有质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感等特点,这些特点对其加工十分不利,大尺寸、高精度kdp晶体零件是目前公认的最难加工的光学零件之一。
2、研究人员围绕kdp晶体表面的抛光进行了大量研究，kdp晶体的超精密抛光技术取得了巨大的进展。目前，kdp晶体的表面抛光技术主要分为两种，第一种是接触式抛光，如单点金刚石飞切(spdt)、超精密磨削、磁流变抛光等；第二种为非接触式抛光，如激光抛光、离子束抛光等。但是这些方法都不同程度地存在一定的问题：采用超精密磨削技术加工kdp晶体时，从砂轮上脱落的磨粒很容易嵌入晶体表面,嵌入以后很难从晶体表面去除；采用磁流变抛光技术加工晶体时抛光表面残留的磁流变抛光液难以清洗；采用离子束抛光加工效率低,成本高等。spdt作为kdp晶体现阶段的主要加工方式，仍无法有效避免小尺度波纹缺陷，造成激光损伤阈值低下，严重影响了kdp晶体的性能。
3、在以往针对这类可溶于水晶体材料抛光方法的专利技术中,有一些不同类型的例子：
4、中国专利cn101310922a公开了《磷酸二氢钾晶体潮解抛光方法》。该方法采用乙醇与水以一定比例配置成的抛光液，针对经过spdt技术处理后的kdp晶体进行超精密抛光，有效避免了磨粒嵌入晶体加工表面的弊端。然而，由于乙醇具有易挥发特性，会造成抛光液性能的改变，进而影响晶体表面加工质量。
技术实现思路
1、本发明针对软脆功能光学晶体应用时表面粗糙度和面型精度的高要求以及该种晶体软脆、易溶于水、对温度变化敏感等特性，提出采用一种溶液辅助的超精密互抛光方法，实现一类光学晶体的高精度、超光滑、低表面和亚表面损伤的超精密加工。
2、为了去除常规超精密加工过程中产生的小尺度波纹和其它表面和亚表面损伤，防止抛光过程中由于抛光垫和待抛光晶体两种材料硬度不一致对晶体表面质量和形状的影响，得到高质量符合要求的晶体表面，提出一种针对可溶于水软脆功能性光学晶体的溶液辅助超精密互抛光方法。
3、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
4、本发明的第一方面是提供了一种针对可溶于水软脆功能性光学晶体的溶液辅助超精密互抛光方法，
5、使用等离子体实时处理经过预处理的待抛光表面，利用等离子体中的高能活性粒子将待抛光表面改性成超亲水的状态。
6、使用去离子水和待抛光晶体配置一定浓度的溶液，使用包含但不限于直接蒸发、超声震荡等方式产生溶液的微液滴，将微液滴和压缩气体混合均匀形成微水雾并经导气管路添加到改性后超亲水的待抛光晶体表面，由于表面的超亲水性，微水雾会迅速吸附于晶体的表面并形成一层液膜，由于晶体易溶于水的特性，该层液膜会溶解并软化表层的晶体，同时液膜中靠近晶体的部分会首先达到饱和，饱和的液膜会阻止晶体继续溶解，使溶解速率和溶解量有一定的可控性，但这种可控性无法使晶体表面质量达到较好的水平，需要抛光盘的作用促进水雾溶解的选择性和可控性。
7、将待抛光晶体分别固定在抛光机构的抛光头和抛光盘上并以一定压力压在一起，启动抛光机构的开关，使抛光头开始旋转，在抛光过程中，晶体表面高点的溶液层互相接触；在抛光头旋转的机械作用下，固定在抛光头和抛光盘上晶体高点的溶液层被去除，晶体高点的材料重新暴露出来，经过等离子体实时处理改性成超亲水之后，暴露在微水雾中的晶体高点表面重新形成液膜，继续发生溶解作用，溶液层再被抛光头旋转的机械作用去除，高点逐渐降低，实现高点的选择性去除，低点的溶液层开始时互相不接触，同时由于饱和溶液层的存在，限制了低点的晶体继续溶解。当高点去除之后，整个溶液层开始互相接触，溶液层被去除，实现晶体被抛光区域的全局平坦化去除。
8、其中，所述的光学晶体为易溶于水的软脆功能性光学晶体，为磷酸二氢钾晶体、硼酸铯锂晶体、磷酸二氢铵晶体、三硼酸锂晶体、碘化钠晶体、溴化钾晶体或氯化钠晶体。
9、其中，所述的预处理为在待抛光的晶体表面喷涂防水隔膜或涂覆防水涂料或粘贴防水胶带或填充防水材料等方法，防止抛光过程中晶体其它位置被溶解。
10、其中，所述的等离子体处理是使用氦气、氩气、氮气等，在待抛光晶体表面形成一层亲水基团，使晶体表面改为超亲水状态。压缩气体与等离子体处理采用的气体相同。
11、其中，所述的待抛光晶体的溶液为去离子水和待抛光晶体按一定比例混合制备而成，根据所需去除速率的不同，可以使用不同浓度的溶液。
12、其中，所述的微水雾为使用上述溶液经过超声等途径产生的微液滴和压缩气体混合后产生的均匀雾状混合物，可以通过溶解的方式实现材料去除。微水雾的参数对后续超精密加工的表面形貌和加工速率有较大影响，通过调节微液滴的大小、密度以及压缩气体的流量等参数，可以调节晶体的去除速率、面形精度和表面粗糙度，最终形成高效、高精度的加工工艺。
13、其中，在本方法所述的抛光过程中，抛光盘和抛光头上均为同种晶体，为同种晶体的相互抛光。这种方法既克服了仅使用微水雾无法使表面质量达到较好水平的缺点，又避免了传统抛光过程中由于抛光垫和待抛光工件硬度不一致造成的单方面材料去除，还增加了加工效率。
14、本发明的第二方面是提供了实现上述方法的装置，包括：微水雾发生装置，等离子体表面改性装置及超精密加工装置。
15、所述微水雾发生装置将待抛光光学晶体水溶液形成的微液滴和压缩气体混合均匀形成微水雾并经导气管路送至改性后超亲水的待抛光光学晶体表面；微水雾发生装置可以使微水雾均匀充满晶体四周。所述微水雾发生装置包括依次连接的气瓶、通气管路、微液滴发生装置，通过调节气体流量、微液滴发生量、微液滴浓度对微水雾进行调节，进而调节抛光的速率和精度。所述等离子体表面改性装置包括依次连接的上极板、射频电源、射频电源匹配器及下极板；所述超精密加工装置包括抛光头和抛光盘，所述抛光头和抛光盘分别夹持待抛光光学晶体以一定的压强做行星运动，实现对工件的超精密加工。
16、本装置还包括外壳及恒温装置，外壳可以将工件和外部环境隔绝，防止空气中杂质和环境温度变化对加工的影响；恒温装置可以保证抛光工作的环境温度稳定，防止温度变化对晶体的溶解速率和溶解度造成的影响。
17、与现有专利技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
18、1、本发明采用的溶液辅助互抛光方法，通过溶液的溶解作用实现材料去除，通过同质晶体的互抛光在避免损伤的情况下促进了材料去除的选择性和可控性，避免了仅用微水雾溶解和仅用同质晶体互抛光表面质量不能很好收敛到较好水平的缺点，得到了较好的表面质量。
19、2、本发明采用的溶液辅助互抛光的方法，实现了晶体超光滑表面的高效制备。该互抛光方法中抛光物与被抛光物为同种物质，避免了传统抛光垫抛光时由于抛光垫和被抛光物硬度不一致造成的单方面材料去除。
20、3、在本发明采用的方法中，抛光液为一定浓度的晶体溶液，抛光物和被抛光物均为同种物质，不引入其它杂质，因此，避免了之后复杂的清洗步骤。
21、4、本发明装置将等离子体改性和微水雾溶解抛光集成在一起，实现等离子体实时改性，保证被加工面始终覆盖一层液膜，提高了加工效率和精度。
22、5、本发明在加工过程中无传统意义上的机械加工应力,且不产生亚表面损伤,是一种真正意义上的无损伤微纳加工方法。
1.一种光学晶体的溶液辅助超精密加工方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的光学晶体的溶液辅助超精密加工方法，其特征在于，所述光学晶体为磷酸二氢钾晶体、硼酸铯锂晶体、磷酸二氢铵晶体、三硼酸锂晶体、碘化钠晶体、溴化钾晶体或氯化钠晶体。
3.根据权利要求1所述的光学晶体的溶液辅助超精密加工方法，其特征在于，所述的预处理为在待抛光的晶体四周喷涂防水隔膜或涂覆防水涂料或粘贴防水胶带或填充防水材料。
4.根据权利要求1所述的光学晶体的溶液辅助超精密加工方法，其特征在于，等离子体实时处理采用的气体为氦气、氩气、氮气。
5.根据权利要求4所述的光学晶体的溶液辅助超精密加工方法，其特征在于，所述压缩气体与等离子体处理采用的气体相同。
6.根据权利要求1所述的光学晶体的溶液辅助超精密加工方法，其特征在于，形成微液滴的方式为直接蒸发或超声震荡。
7.根据权利要求1所述的光学晶体的溶液辅助超精密加工方法，其特征在于，通过调节微液滴的大小、密度以及压缩气体的流量调节晶体的去除速率、面形精度和表面粗糙度。
8.一种实现权利要求1-7任一权利要求所述方法的加工装置，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括外壳及恒温装置。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述微水雾发生装置包括依次连接的气瓶、通气管路、微液滴发生装置，通过调节气体流量、微液滴发生量、微液滴浓度对微水雾进行调节，进而调节抛光的速率和精度。
