中文摘要：

微等离子体技术在微结构功能表面加工中具有广阔的应用前景，然而微等离子体的空间扩散导致其很难加工出高精度面形。本项目首次提出微结构大气等离子体区域选择性去除方法，通过在超精密加工获得的微结构表面覆盖液体膜，等离子体气体只有吹开液体膜才能接触加工表面实现化学去除，从而提高等离子体加工区域分辨率。建立液体约束微大气等离子体区域选择性抛光微结构表面的气-液-固多相流体动力学模型和多场耦合数学模型；结合实验和测试技术，研究气-液两相下等离子体抛光微结构的超光滑表面形成机理和加工表面沉积物抑制的作用机理；分析微大气等离子体抛光工艺对微结构表面形貌特征的适应性和加工精度的影响规律，归纳微结构表面形貌特征和等离子体抛光精度的映射关系；使用微细铣削和等离子体抛光复合工艺实现典型微结构光学元件的高精度超光滑表面加工。这对于微大气等离子体加工理论和微结构功能表面加工技术的发展和应用均具有重要意义。

结论摘要：

大气等离子体加工技术在超光滑光学表面高效加工中已经获得了广泛应用。但是，由于等离子在空气中迅速扩散，导致化学反应区域很难控制，从而无法在表面加工出高精度的微结构。本课题针对大气等离子体加工过程中的材料去除机理及加工区域约束机理进行了深入的理论和实验研究。在对大气等离子体加工设备进行改造和研制新型大气等离子体炬的基础上，实验研究了大气等离子体的放电特性，获得了等离子发生装置的热稳定过程、CF4反应气体和辅助气体三者对大气等离子加工反应过程的影响规律；并以融石英材料为加工对象，采用单因素实验方法研究并获得了关键工艺参数对融石英材料去除效率的影响规律；采用AFM和XPS方法对加工表面进行了几何形态和化学成分的评价，得到了表层形态、RMS粗糙度、和表面沉积物在去除深度方向的变化规律。然后，在大气等离子体加工融石英材料去除机理研究的基础上，基于所设计的小孔射流同轴电极等离子炬，建立液体约束微大气等离子区域选择性抛光微结构表面的气-液-固多相流动力学模型，通过理论分析和实验研究，得到了水膜约束情况下大气等离子体加工融石英表面的反应过程，分析了水膜约束下等离子体分布及其对加工表面的影响规律；使用液体石蜡作为约束液体，通过等离子体加工融石英的实验研究，分析得到了反应气体流量等与加工表面面积和深度的关系；并基于化学反应过程，对液体石蜡作为约束液体情况下等离子体反应沉积物的产生进行了理论分析。在流体约束情况下，初步实现了大气等离子体加工区域的定量控制，这对于大气等离子体加工理论和微结构功能表面加工技术的发展和应用均具有重要意义。