激光反射镜是高能激光器的核心光学元件之一,制造激光反射镜的单晶硅基板要求具有超光滑表面和高精度面形。目前,反射镜单晶硅基板的加工工艺路线为“研磨—抛光—修形”。其中研磨加工的面形精度和表面损伤直接影响后续抛光加工的精度和效率,研磨工艺是加工高精度高质量单晶硅基板的关键工艺。针对研磨加工表面损伤和面形精度不易控制、加工效率低等问题,本文提出了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅基板超精密磨削新工艺,代替现有的研磨工艺,并根据工件旋转法磨削工艺特点以及激光反射镜单晶硅基板的加工要求,从单晶硅基板的磨削表面层质量、磨削表面损伤控制和低损伤磨削砂轮研制、单晶硅基板磨削面形控制方法以及单晶硅基板高精度低损伤超精密磨削工艺等方面进行了深入研究,对于实现高精度高质量单晶硅基板的超精密磨削具有重要的指导意义。本文的主要研究内容和结论如下:(1)为了控制超精密磨削单晶硅基板的表面层质量,建立了单晶硅延性域磨削的磨粒切削深度模型,并利用模型对单晶硅磨削表面粗糙度和亚表面损伤深度进行了预测,还分析了在磨粒切削深度不变的条件下磨削速度对单晶硅表面层质量的影响。首先,考虑单晶硅磨削过程中材料有效去除的磨粒最小切削深度、磨粒刃圆半径和材料回弹的条件,建立了单晶硅延性域磨削的磨粒切削深度模型;然后利用磨削表面粗糙度Ra与磨粒切削深度的关系,对单晶硅磨削表面的粗糙度进行了预测,通过建立的磨削力与磨粒切削深度、亚表面损伤深度与磨削力的关系,对单晶硅磨削表面层损伤深度进行了预测。通过与试验结果对比表明,磨削表面粗糙度和亚表面损伤深度的预测精度分别为78%和73%。磨削速度对单晶硅磨削表面层质量影响的研究结果表明,在磨粒切削深度不变条件下,超精密磨削单晶硅基板的表面粗糙度和亚表面损伤深度随磨削速度增加而减小。(2)为了实现单晶硅基板的超精密低损伤磨削加工,开发了超细粒度金刚石/氧化铈复合磨料砂轮和氯氧镁结合剂软磨料砂轮,通过分析单晶硅磨削表面粗糙度和亚表面损伤深度,研究了两种砂轮的磨削性能。研究结果表明,所研制的超细粒度金刚石/氧化铈复合磨料砂轮磨削单晶硅的表面粗糙度达到Ra 5.6 nm,亚表面损伤为非晶层和位错,损伤深度小于100 nm:氯氧镁结合剂软磨料砂轮磨削单晶硅的表面粗糙度达到Ra0.6 nm,亚表面损伤只有非晶层,损伤深度小于30 nm。(3)结合单晶硅基板装夹和加工的特点,分析了单晶硅基板装夹变形对磨削面形精度的影响,提出了工件旋转法磨削单晶硅基板的面形控制方法。针对真空吸附装夹时单晶硅基板定位面不能与真空吸盘表面完全贴合,导致基板产生的弹性变形影响基板磨削面形的问题,研制了单晶硅基板真空吸附装夹变形的测量装置,实际测量了基板的装夹变形。通过弹性力学理论和有限元仿真,分析了单晶硅基板的装夹变形对磨削面形的影响,结合工件旋转法磨削面形的理论模型,建立了考虑单晶硅基板装夹变形的磨削面形与砂轮主轴角度的关系,提出了通过调整砂轮主轴角度补偿单晶硅基板装夹变形的磨削面形控制方法,并进行了试验验证。试验结果表明,φ100mm×6 mm单晶硅基板磨削前的面形PV值为4.68μm,磨削后的面形PV值达到1.32μm。(4)开发了高面形精度高表面质量单晶硅基板的超精密磨削工艺。根据超细粒度金刚石/氧化铈复合磨料砂轮和氯氧镁结合剂软磨料砂轮磨削单晶硅的材料去除机理和磨削工艺特点,提出了复合磨料砂轮的恒进给磨削策略和软磨料砂轮的恒压力磨削策略,确定了依次采用复合磨料砂轮和软磨料砂轮超精密磨削单晶硅基板的加工工艺参数,采用该工艺超精密磨削单晶硅基板的面形PV值达到1.41 μm,表面粗糙度达到Ra 0.7 nm,表面损伤层深度<30 nm,满足后续抛光要求。