同济大学精密光学工程技术研究所二十年创新历程

同济大学精密光学工程技术研究所成立二十年来,以探索前沿科学问题、突破核心关键技术、服务国家重要应用为目标,形成了理论与模拟相结合、科学问题解决与关键技术突破相结合、基础研究与重要应用相结合的特色,形成了研究所的发展理念,打造了高水平研究平台,在X射线器件与系统、强激光薄膜与应用、光学纳米计量与测试、微纳光学与智能感知四个研究方向上取得了突出的研究成果,已成为高层次人才培养和高水平科学研究的重要基地。

太阳成像仪镜筒舱内压力控制技术研究

文章阐述了太阳成像仪镜筒舱内压力控制技术研究,主要包括限流小孔机械尺寸理论分析、慢速泄压阀设计、镜筒压力控制模拟测试等内容。目前,所研制的慢速泄压阀已顺利交付使用,并随46.5 nm极紫外太阳成像仪在中科院空间新技术试验卫星上进行了搭载,实现了在轨顺利开机,验证了太阳成像仪镜筒舱内压力控制手段的正确性。

脉冲激光损伤阈值测量技术及光学元件损伤性能

基于我国强激光装置建设和工程任务需求,同济大学建立了基于纳秒与飞秒脉冲激光的自动化激光损伤阈值测试系统,该系统具有微米与亚微米级损伤的自动检测、定位复检、瞬态诊断和原位测量功能,测试流程基于ISO标准与光栅扫描等方法;此外,通过国际损伤阈值评测,实现了测量结果的国际对标。十多年来,利用该激光损伤阈值测试系统,我们系统研究了基板研磨与抛光工艺、超声清洗与表面残留、薄膜设计与大角度抑制、三维电场模拟与透镜聚焦效应、镀膜材料选择与氧化工艺、节瘤几何成型控制与平坦化、环境保持与传递控制、镀膜优化与辅助工艺、退火工艺与后处理技术、存放环境与人为污染等各类因素对激光损伤阈值的影响和作用规律;根据不同研究对象在不同参数和工作条件下的激光损伤特征,研究了激光损伤诱因、损伤演化及损伤机理;此外,基于泵浦-探测成像技术研究了透射元件的损伤动力学特性。激光损伤阈值表征与损伤溯源为课题组超高阈值和大尺寸激光薄膜器件的研制提供了关键的支撑技术,同时,为国内外数十家科研机构、高校院所和企业提供了高置信度的激光损伤阈值测试服务。

高光谱性能光学薄膜研究进展

高光谱性能光学薄膜是国家重大光学工程、光电子产业的基石。为了提高光学薄膜的光学性能并开发精确制备技术,现有研究主要围绕设计理念、监控技术和薄膜材料等方面展开。目前,薄膜技术已经取得了长足进步,能实现高光谱性能光学薄膜的鲁棒性设计,多种基于高光谱性能光学薄膜的精确制备技术相继被提出。从薄膜设计、精确制备技术以及薄膜材料几方面出发,本文对现代高光谱性能光学薄膜研究进行了回顾和讨论,并对高性能光学薄膜潜在的挑战和进一步研究方向进行了展望。

等离子体诊断用多层膜X射线成像光学研究进展

发展精密X射线诊断技术对于惯性约束聚变(ICF)物理过程的研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程技术研究所在高性能多层膜掠入射X射线光学方面的最新进展进行了较全面的介绍。针对ICF高时空分辨、能谱分辨和高集光效率诊断需求,从多通道掠入射X射线成像技术、多层膜掠入射X射线成像技术及应用效果几个方面,对目前研究进展进行了系统介绍。在多通道掠入射X射线成像方面主要介绍高分辨多通道KB成像系统及其高精度在线装调技术。在实现空间分辨优于5μm、十六通道成像的基础上,采用“物-诊断物镜-像”的高复位精度集成指示技术,有效保障了多通道KB系统的装置应用效果。在多层膜掠入射X射线成像方面,本文主要介绍多层膜分光器件的能谱调控和制备技术以及系统的精密瞄准技术。目前,多套基于多层膜阵列器件的多能谱X射线诊断设备已在激光装置上得到广泛应用,空间分辨率在3~5μm,诊断能点达到4个,技术指标显著优于国外同类器件,为国内ICF诊断提供了有力支撑。

中子薄膜器件与光学系统的研究进展

中子散射和衍射是现代科学检测技术的重要领域之一,中子谱仪是实现中子检测的核心装置。中子薄膜器件及其光学系统可以实现中子束传输、聚焦、准直、极化等状态的调制,是构成中子导管、准直器、弯管、极化器、翻转器等中子光学装置的核心器件,可以提升中子传输效率,简化中子光学仪器结构,是中子谱仪功能实现和性能提升的关键。同济大学精密光学工程技术研究所,面向我国各类中子源应用谱仪开发的需求,聚焦中子薄膜器件关键制作技术创新,解决了中子超镜和极化中子薄膜翻转元件的制作问题;以高端薄膜器件支撑了高性能中子光学系统的研制,成功研制出中子导管部件、基于超镜的多层嵌套式中子聚焦系统、高通量高空间分辨率的中子多通道KB聚焦系统,成功应用于国内大型和小型中子源的谱仪装置,支撑了我国小角散射、粉末衍射、自旋回波等中子谱仪的自主研发和升级改造。

极紫外正入射光学系统研究进展

极紫外正入射光学系统广泛应用于生物结构显微成像、等离子体诊断、太阳物理观测和极紫外光刻等领域中,对其开展深入研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程研究所在极紫外正入射光学系统方面的最新进展进行介绍,列举了应用于超热电子诊断、微纳成像、极紫外辐照损伤及Z箍缩等离子体诊断等不同场景中的多套正入射光学系统。这些系统分别在相应的应用中实现了优异的性能表现:毫米级视场内微米级的空间分辨;几十微米级视场内亚微米的超高空间分辨;大数值孔径下的超高能量密度极紫外辐照及多能点多通道的时空间诊断。研究所在极紫外正入射光学系统研究中取得的进展为我国等离子体诊断设备的自主可控及高端制造装备的技术储备提供了有力支持。

光学超构表面异常偏折研究进展

将光波偏折到预定的非镜面折/反射方向是超构表面的一项重要能力,也是超构表面对光波进行复杂操控的基础。为了提高异常偏折超构表面的性能并拓展其应用,现有研究主要围绕设计理念、器件构型、演示应用等方面展开。目前光学超构表面的异常折射和反射效率已经提升至90%和99%,各种基于超构表面异常偏折光波调控的演示性应用也相继被提出。从物理机制、实现方法以及应用研究几方面出发,本文对光学超构表面异常偏折研究进行了回顾和讨论,同时也对潜在的挑战进行了总结,对异常偏折超构表面的进一步研究进行了展望。

极紫外-真空紫外光学薄膜元件的研究进展

极紫外-真空紫外高性能薄膜光学元件的发展对天文、材料、物理等学科具有重要意义。本文主要介绍了同济大学精密光学工程技术研究所在高性能极紫外-真空紫外薄膜光学元件的最新进展。展示了极紫外-真空紫外波段(10~200nm)用薄膜反射镜、薄膜单色器和薄膜起偏器的研究成果。为适应不同的使用需求和环境,开展薄膜内部微结构的综合表征及其物理化学机制的研究,形成了一套完备的极紫外-真空紫外薄膜光学元件表征、优化、制备技术体系,有效提升了均匀性、反射效率、带宽、稳定性和偏振度等薄膜元件核心性能。高性能的极紫外-真空紫外薄膜光学元件研制技术将为我国大型地面科学装置及空间天文观测设备提供强有力的支撑。

40~90 nm波段极紫外多层膜研究进展

极紫外多层膜反射镜在许多科学与技术领域,如极紫外光刻、天体物理学、等离子体诊断、阿秒物理和自由电子激光等方面有重要应用。多层膜使极紫外波段反射镜在正入射条件下具有高反射率和窄带宽成为可能。多层膜反射镜是极紫外成像和光谱应用的重要器件,多层膜构成的极紫外成像系统已成功完成多个太阳单一谱线的成像观测。本文综述了40~90 nm波段最有前景的多层膜的研究进展。首先简要介绍了多层膜的基本原理,叙述了40~90 nm波段材料光学常数的测量,总结了Mg基、Sc基和镧系材料以及其他材料组成多层膜的进展,给出了目前达到的最佳反射率和带宽,阐明了多层膜的时间稳定性,从而为40~90 nm波段多层膜制备提供了技术指导。

光学表面功率谱密度的表征

以硅基板镀制单层Hf O_2薄膜前后的表面微观形貌的变化为例,开展了光学表面功率谱密度的计算及表征研究。首先给出了一维功率谱密度(PSD_(1D))、二维功率谱密度(PSD_(2D))以及各向同性功率谱密度(PSD_(ISO))的计算方法和具体步骤。然后使用原子力显微镜测量了硅基板镀膜前后在1μm×1μm、5μm×5μm、10μm×10μm、20μm×20μm四种扫描尺寸下的表面轮廓。在此基础上使用MATLAB编程计算得到这四种扫描尺寸下的PSD_(ISO),对这些PSD_(ISO)使用几何平均算法拼接得到具有足够大频率范围的PSD_(ISO-Combined)。结果显示,硅基板镀膜前后的PSD_(ISO-Combined)在低频段基本相同,中高频段出现了明显差异。分析指出这是由镀膜后表面柱状晶体结构引起的。提出了对PSDISO在频域上积分得到表面均方根粗糙度σ_(ISO),再同由定义式计算得到的σ_(STD)作对比的方法。计算得到的σ_(ISO)与σ_(STD)基本相同,验证了PSD_(ISO)计算方法的准确性。

极紫外及X射线波段超光滑反射镜的超精密加工与检测

极紫外、X射线为微观物质认识、宏观空间探测提供了高精度的观测手段,但这类观测的实现需要大量高精度光学反射元件的支撑。由于极紫外、X射线在光学表面更易发生散射,其光学反射镜基底的精度需求和制作技术也明显区别于长波元件。近年来,同济大学精密光学工程技术研究所建立了极紫外、X射线反射元件基底的超精密加工与检测平台,研发了超光滑非球面的离子束修形技术,提出了基于泽尼克多项式的随机离轴旋转绝对检测方法,形成了极紫外、X射线光学用反射镜基底的高精度全流程研制技术,并将该技术成功地应用于国内和国际短波光学大科学装置中。本文综述了本课题组在极紫外、X射线用反射镜制作领域中的研究进展。

纳秒激光薄膜损伤机理和应用研究

根据我国强激光装置建设和工程任务对强激光薄膜元件的需求,基于对薄膜损伤机制的认识,同济大学提出了“全流程定量化”控制缺陷制备激光薄膜的思路。同济大学利用结构、性质可控人工小球制作定量化人工缺陷,系统研究了基板加工、超声清洗、电场模拟与调控、镀膜材料与工艺选择、镀后后处理、激光预处理、传递与保存等因素对薄膜元件激光损伤特性和损伤规律的影响。从损伤形貌和损伤规律上证实了节瘤缺陷电场增强理论模型的正确性,促进了研究人员对节瘤缺陷损伤机制的认知深度,提出了提升薄膜损伤性能的新途径,创建了新材料,实现了可兼顾环境稳定性、光谱特性和损伤特性的多功能强激光薄膜制备,有力支撑了我国强激光装置建设和激光技术的进一步提升。

面向激光探测的精密光机系统研制及应用

面向激光探测需求,创建了涵盖“光学设计-结构设计-元件制造-装调集成-性能评价和应用”的精密光机系统全环节研发平台。发展了“光学设计-结构设计-力热学设计”高效耦合的综合设计方法,建立了基于光机误差分解的精密装配集成方法,形成了透射光学系统定心装调、反射光学系统的高精度集成装配流程和技术,配备了光学系统波前和成像性能检测仪器,支撑了多种复杂功能的精密光机系统的研制。本文全面梳理了同济大学面向激光探测需求的精密光机系统和仪器研制方面的科研工作,针对我国“星光Ⅲ”强激光装置的探测需求,研制了首套联合视频合成孔径雷达和扫描光学高温计的主被动复合诊断装置和辐射高温光学测量系统,共同为“星光Ⅲ”开展超高压物态方程实验提供了技术支撑与诊断测试手段。面向海环境下目标与环境激光散射特性的测量需求,研制了发散光激光雷达散射截面测量装置和双功能平行光LRCS激光测量装置,实现了模拟海环境下标准散射体与海环境的激光散射特性的精确测量,为超低空激光雷达研制提供了数学模型和实验数据。

HfO_2薄膜折射率非均质性生长特性研究

在加热的BK7基板上,采用电子束蒸发(EB)工艺制备了一系列不同厚度的Hf O2单层膜,对Hf O2薄膜生长过程中的折射率非均质性进行了研究。光谱分析表明薄膜非均质性与其厚度息息相关。X射线衍射(XRD)测试表明不同非均质性薄膜对应不同的微观结构;薄膜的微观结构主要由薄膜的生长机制决定。当膜厚较薄时,薄膜不易结晶,呈无定形态,此时薄膜呈正非均质性。如果沉积温度足够高,则薄膜达到一定厚度后开始结晶,此后薄膜折射率就会逐渐下降。随着薄膜继续生长,薄膜晶态结构保持恒定不再变化,非均质性也会因此保持不变达到极值。

基于离散化路径与拼接的高精度光学检测方法

在超精密光学元件制造中,高精度光学检测技术是进一步提升光学加工精度和表征评价光学表面形貌的基础关键。非接触式光学检测方法凭借高效和无损伤检测的特点,取得广泛应用。但外界环境扰动容易对光学检测探针产生影响,降低检测精度。为此,文中提出了一种离散化检测路径与拼接方法,将传统螺旋线路径离散为多圆周和多径向路径,并通过路径间数据的相互拼接,减小了环境扰动误差。分析了离散化检测路径的参数设置,给出了一种均匀化的圆周路径分布策略。最后,基于自行搭建的光学检测平台,进行了环境误差抑制方法的验证实验。相较于抑制前的面形,抑制后的测量相对误差从24.3%降到了4.3%。

近红外激光薄膜的损伤特性与抗损伤性能提升研究

在充分理解纳秒脉冲激光作用下近红外激光薄膜的损伤机制的基础上,分别针对反射元件和透射元件的损伤特点,探讨了两种元件的激光损伤规律,提出了有效提升近红外激光薄膜抗激光损伤性能的方法。结果表明:对于反射元件,采用优化后的膜系结构可以大大降低薄膜中由节瘤缺陷引起的电场增强效应,大幅提升损伤阈值2~3倍;对于透射元件,采用合理的刻蚀工艺可有效降低薄膜中的吸收缺陷,有效提升其损伤阈值约1.5倍。

超短脉冲激光诱导透明材料多光子吸收的研究进展

超短激光脉冲可直接诱导透明材料的多光子吸收上转换荧光过程,它在红外探测、新型激光器、海底光学通信、高密度存储以及三维立体显示等前沿的国防和工业科技领域有着广泛的应用。上转换过程的研究目前主要集中在稀土离子和过渡金属离子能级跃迁的机制上,随着机制材料以及受激离子的不同,光子跃迁的机制也不完全相同,因此上转换机制始终伴随着新材料的出现而发展。介绍了上转换过程的种类,将多光子吸收上转换过程用依次吸收与同时吸收进行分类,给出了在实验研究中分辨上转换过程的方法,并讨论了多光子同时吸收的双光子与三光子过程的研究进展和应用,为今后研究不同光功能材料的多光子吸收过程和应用提供了理论依据。

Schwarzschild物镜装卡应力对光学元件面形的影响

为了实现接近衍射极限的分辨率,工作在极紫外波段的Schwarzschild物镜要求其光学元件的面形精度达到约1nm(RMS值);而在物镜的装配过程中,装卡产生的应力会影响光学元件的面形精度,定量计算装卡应力对元件面形的影响是获得高分辨率成像的关键。在光学设计、公差分析的基础上,采用有限元模型系统地分析了应力对Schwarzschild物镜光学元件面形精度的影响。结果表明:采用自行设计的物镜结构,应力对主镜面形的影响可以达到0.7nm,而对副镜的影响可以忽略;应力所产生的光学元件面形变化会使系统的几何传递函数(5000lp/mm)从0.76下降到0.61。

节瘤缺陷激光损伤的研究进展

在近红外反射类激光薄膜中,节瘤缺陷是引起薄膜激光损伤的主要因素。为了提高激光薄膜的损伤阈值,对节瘤缺陷及其损伤特性进行研究具有重要意义。从"真实"节瘤缺陷和"人工"节瘤缺陷两个方面介绍节瘤缺陷的研究进展。基于"真实"节瘤缺陷的研究,建立了节瘤缺陷的结构特征,形成了节瘤缺陷损伤特性和损伤机制的初步认识,利用时域有限差分法(FDTD)模拟了电场增强,初步解释了节瘤缺陷的损伤机制,发明了抑制节瘤缺陷种子源的方法和激光预处理技术,减少了节瘤缺陷,提高了薄膜损伤阈值。但是"真实"节瘤缺陷的性质,如种子源尺寸、吸收性以及位置深度等,都难以控制和预测,难以开展节瘤缺陷损伤特性的系统和量化研究,致使关于节瘤缺陷损伤的科学认识尚有不足。基于"人工"节瘤缺陷的研究,可以实现节瘤缺陷损伤特性的系统、量化甚至单一因素研究,极大地提高了实验研究的效率和可靠性,获得了一系列定量损伤规律。"人工"节瘤缺陷的高度受控性使实验研究与理论模拟的可靠对比成为可能,"人工"节瘤缺陷的损伤形貌和FDTD电场模拟的直接比较实验不仅验证了时域有限差分法(FDTD)模拟电场的正确性,也进一步明确了电场增强是诱导节瘤缺陷损伤的主要机制。对节瘤缺陷的损伤机制有了更为深刻的认识后,人们开始调控节瘤缺陷的电场增强效应提高节瘤缺陷的损伤阈值,发展了宽角度反射薄膜技术和节瘤缺陷平坦化技术,抑制电场增强,提高损伤阈值。这扩展了控制节瘤缺陷的思路和方法,从原来单一的去除节瘤缺陷到调控节瘤缺陷,为进一步提高薄膜的损伤阈值开辟了新的方向和途径。