随着科技的不断发展,广泛应用于航空航天、国防、新能源和天文学等领域的现代光学系统,对光学元件的加工效率、表面质量的要求也变得更为严苛。如何实现光学元件的低成本、高效率、无损伤加工成为光学制造领域面临的重大挑战。基于化学刻蚀原理的大气感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)加工技术,具有高材料去除率、无表面/亚表面损伤等优点,是光学元件高效高质量制造的有效方式。然而,目前针对适用于光学加工的等离子体特性,以及等离子体加工去除光学元件表面/亚表面损伤机理的研究并不多见。因此,本文将有针对性的开展面向光学加工ICP特性的理论和实验研究,探索在ICP去除损伤过程中的元件表面形成与演变规律,为等离子体加工在光学制造中的工程应用奠定理论基础并提供技术支撑。本文首先针对大口径光学元件的加工需求,设计并搭建基于ICP的五轴混联大气等离子体加工机床。在此基础上,分析ICP的点火激发过程与能量耦合机理,并借助双温度等离子体数值模型,研究了不同射频频率条件下的等离子体流场与温度场特性的异同。结合等离子体组分计算与原子发射光谱仪测量结果,明确等离子体光谱特征,为后续分析等离子体发生器损坏原因和光谱测温奠定基础。其次,针对实验中观察到的发生器损坏现象,通过实验结合仿真分析证明发生器损坏是由于等离子体化学刻蚀导致。并根据发生器内部流场特性,揭示了发生器损坏的主要因素是高频磁场产生的磁泵效应所引起的等离子体逆向流动。进而设计了全可拆卸式的等离子体发生器,以降低损坏并延长发生器工作时间。针对等离子体射流温度高、流速低和刚性弱,难以实现对光学元件的稳定、可靠和安全加工的问题,提出基于附加束流降温喷嘴的方法解决该问题。基于计算流体力学,建立经过拉瓦尔喷嘴和锥直形喷嘴束流后的等离子体射流模型,研究喷嘴结构参数对等离子体射流特性的影响规律。优选制造结构合理的锥直形喷嘴,并对比分析束流等离子体射流特性的实验与仿真结果,验证模型的可靠性与准确性,实现了对等离子体降温和提高射流刚性的设计目标。为研究微裂纹在等离子体作用下的演变过程,首先,分析了熔石英玻璃表面/亚表面微裂纹损伤的产生机理,并对熔石英样件损伤深度与形貌进行了表征。然后,实验研究微裂纹在等离子体作用下的演变过程,分析等离子体加工的物理化学过程。最后,引入追踪界面演变的水平集方法,建立等离子体作用下的裂纹损伤演变仿真模型,通过仿真与实验结果的对比验证所建模型的可靠性和准确性。为揭示等离子体加工去除熔石英材料损伤过程中的表面形成机理与演变规律,首先将局部的裂纹演变模型扩展为二维表面演变模型,研究不同损伤特征作用下的表面形成过程和粗糙度变化规律。其次,将二维表面演变模型扩展为三维,分析三维形貌随加工时间的演变过程,并进行实验验证。从而得出加工去除损伤获得平坦表面的四个基本过程,揭示了等离子体加工表面演变规律,为加工表面质量的预测和光学元件的高效无损制造提供了理论支持。