磷酸二氢钾(KDP)晶体是一种优质非线性光学晶体,是当前唯一可用作惯性约束核聚变装置(ICF)、强激光武器等光路系统中的激光倍频和光电开关的光学材料。KDP晶体具有各向异性、质地软、脆性大、易潮解、较高的热膨胀系数等不利于加工的材料特性,被公认为最难加工的材料之一。目前,国内外广泛采用单点金刚石切削或飞刀切削技术对KDP晶体进行超精密加工,然而,该工艺容易在加工表面产生明显的刀纹,制约了加工表面质量的进一步提升,特别是切削表面存在小尺度波纹,严重影响了系统输出的光束质量。基于潮解原理的磁流变抛光技术可有效去除切削刀纹和小尺度波纹,并以可变可控的速度扫掠切削表面提升面形精度,进而形成了单点金刚石切削和磁流变抛光相结合的KDP晶体超精密加工新工艺、新路线。但是,磁流变抛光液中的铁粉等杂质极容易嵌入质软的KDP晶体表面,降低KDP晶体的光学性能。为此,去除磁流变抛光嵌入KDP晶体表面的铁粉时超精密加工所面临的一个十分迫切的任务。本文提出利用低能离子束抛光技术清除KDP晶体表面嵌入的铁粉等杂质,完善了KDP晶体超精密加工工艺路线。针对低能离子束抛光KDP晶体所面临的新问题、新挑战,论文对以下几个方面做了具体研究:(1)KDIBF650-5V超精密光学元件离子束抛光系统研制。对离子束抛光系统进行设计;采用可任意位置放置的非灯丝型中和器并放置在远离光学元件的位置,减小中和器对热敏感KDP晶体材料的影响;设计双室真空系统配以工件输送装置,在不破坏工作真空室真空度的情况下实现工件的更换,减小了离子束加工辅助时间并延缓离子源氧化;实验研究离子束抛光系统的去除函数形状、稳定性:具有优异的回转对称高斯形状和较长时间的稳定性;通过样件加工实验证实离子束抛光系统的加工性能。该系统的研制为实现KDP晶体离子束抛光奠定了基础。(2)低能离子束抛光温度场和应力场研究。针对KDP晶体热膨胀系数高,脆性大,在离子束加工过程中非均匀受热,易出现开裂现象,建立离子束加工过程中温度场和应力场评价方法:利用SRIM模拟低能离子与光学元件表面的相互作用过程,计算得到单离子在光学元件表面沉积的能量,并通过离子源光学系统理论分析光学元件表面的束流分布,进而建立离子束施加在光学元件表面的热源模型;根据傅里叶定律,建立各向异性KDP晶体的导热微分方程,并在此基础上建立离子束作用下KDP晶体的温度场模型;利用ANSYS对温度场进行仿真并与实验进行对比,验证模型的正确性。以温度场为基础,建立离子束加工过程中KDP晶体的应力场模型并通过ANSYS进行仿真模拟。(3)基于温度场和应力场的离子束加工工艺优化。为减小离子束加工对KDP晶体的不利影响,避免离子束加工对KDP晶体的破坏,提出具体的、切实可行的实施方法:首先,研究工艺参数对温度场和应力场的影响规律,优化离子束加工工艺参数;其次,提出跨行距大间隔移动路径,对离子束的移动路径进行优化;最后,针对离子束修形宜采用小束径的特点,提出低通滤波加工新方法,并根据离子束的修形能力选择截止频率。(4)KDP晶体离子束抛光表面质量研究。首先,分析离子束抛光前后KDP晶体表面物质组成结构的变化情况,离子束抛光不改变晶体结构;其次,研究离子束抛光工艺参数对KDP晶体表面粗糙度的影响规律,并以此为依据选择适当的工艺参数实现KDP晶体超光滑表面;再次,研究不同晶面以及不同晶向对离子束抛光后表面粗糙度的影响;最后,对超精密切削、磁流变抛光和离子束抛光后KDP晶体表面元素含量在深度上的分布进行分析,通过对比说明低能离子束抛光有效地清除了磁流变抛光嵌入KDP晶体表面的铁粉。(5)KDP晶体离子束抛光工艺研究与加工实例。根据离子束抛光典型工艺路线,提出KDP晶体离子束抛光新工艺路线:以离子束加工热效应控制为目标,融入离子束工艺参数选择、离子束移动路径优化和滤波加工等工艺。而后,结合本文研究的理论和工艺在KDIBF650-5V上对KDP晶体进行修形实验,得到满足面形精度要求的KDP晶体光学元件;最后,对超精密切削、磁流变抛光和离子束抛光技术三种工艺方法下的KDP晶体进行激光诱导损伤阈值实验测量,通过对比发现:离子束抛光技术显著提高了KDP晶体的激光诱导损伤阈值。