碳化硅(Silicon Carbide,SiC)光学材料由于其具有高刚度、高化学稳定性、高热稳定性和高抗辐射稳定性等优点,成为地基光学系统和空间光学系统的首选反射镜材料。但SiC材料自身的高硬度和高稳定性,致使在加工SiC材料光学元件尤其是轻质大口径复杂面形反射镜的过程中遇到了加工效率过低的问题,使SiC镜面的加工耗时较长,加工成本较高,制约了SiC光学零件的广泛应用,限制了SiC光学零件加工的发展。因此,SiC反射镜加工中急需一种高效加工技术。本文利用等离子体加工方法以期获得较高的加工效率,提出了SiC反射镜的电弧增强等离子体加工方法,并利用自行研制的等离子体发生器,完成了SiC反射镜的修形。全文的主要研究内容如下。1.电弧增强等离子体发生器设计和电压特性研究。当等离子自身射频电压增大时,将在SiC表面形成电弧,此时等离子体加工效率迅速提升,此现象称为电弧增强效应。本文研制了可以产生电弧增强效应的等离子体发生器,针对设计难点,通过等离子体通道模型研制了适用于光学材料加工的等离子体炬管。建立了电弧增强等离子体等效电路模型,探讨了提高电弧增强效应的途径。本文还对电弧增强等离子体进行了电压特性研究,测量了自由燃烧等离子体电压和电弧等离子体电压,验证了电弧增强等离子体等效电路的有效性,发现了靶距对电弧形成具有重要影响,同时,在等离子体加工界面的电压特性研究中,获得了电弧中有正离子可以到达材料表面的重要证据。2.电弧增强等离子体加工机理研究。电弧增强等离子体加工方法基于电弧增强效应提高加工效率,通过对比普通等离子体加工和电弧增强等离子体加工的表面动力学过程,发现了表面离子作用是提高等离子体加工效率的关键因素。电弧中的离子作用包括离子轰击作用和离子与材料内的隧穿电子所发生的强放热的三体中和反应,两种离子作用均可对材料表面分子的强Si-C共价键进行弱化甚至打断。本文利用纯电弧加工实验证明了离子轰击作用的存在。利用Arrhenius公式,建立了电弧增强等离子体加工效率模型,发现当电弧形成时,化学反应活化能降低,使化学反应发生所需要的能量降低,从而提高了等离子体加工效率。3.电弧增强等离子体加工工艺研究。为实现SiC反射镜的修形,需要保证电弧增强等离子体去除函数具有良好的稳定性。影响电弧增强等离子体加工效率的因素包括加工温度和加工靶距。本文对电弧增强等离子体加工温度进行了研究,发现由于SiC材料本身的高热传导性能,加工温度可在短时间内达到稳定温度,还发现等离子体扫描速度与等离子体加工效率不相关,则利用经典驻留时间解算方法求解驻留时间分布是可行的。通过研究靶距对等离子体加工效率和加工表面质量的影响规律,获得了加工靶距的选择条件。最后通过SiC反射镜的修形实验,验证了电弧增强等离子体加工方法具有较好的精密高效修形能力。