光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对抛光结果的影响规律,以期提高元件的面形精度和表面的质量,在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上,结合实验室的PKC100-P1型抛光设备,对上述的关键工艺参数分别进行了研究,设置了一系列的实验参数,进行了详细的实验探索,分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数的内在联系,得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明:工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律,掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果,为高精度光学表面的加工提供可靠的保障,同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。

光学元件超声清洗工艺研究

系统开展了光学元件超声清洗工艺的实验研究。通过研究超声清洗剂、清洗温度等工艺参数的优化,找到了能够有效祛除元件表面无机污染物和有机污染物的较佳超声清洗工艺,且超声清洗没有对光学元件表面产生损伤,清洗后的光学元件接触角小于6°,并不残留大于1μm的颗粒,超声清洗对光学元件表面污染物的祛除能力远胜于手工清洗。

惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展

介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率,我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作。综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展。文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长。描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜)。最后,给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术。文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求,显著提升了光学元器件的研发和生产能力。

高精密光学元件磨床的加工与检测系统的开发

高精密平面磨床是加工光学非球面元件的一种重要途径.出于通用性和效率的考虑,开发一套面向光学非球面元件的高精密平面磨床的加工与检测系统,以此来实现光学非球面元件的精密加工.以自行开发研制的四轴数控高精密平面磨床为研究基础,采用模块化设计,选用Delphi 7为开发语言,运用Delphi 7和Matlab混合编程技术,搭建了加工与测量系统,实现了光学非球面元件的磨削加工、面形测量、磨削补偿以及环境检测等.实验结果表明,该系统可以满足光学元件的精密加工及检测,并具有较高的工作效率.

光学元件聚氨酯抛光特性研究

本文研究了应用于平面光学元件的快速抛光技术,从材料去除率、元件面形和表面粗糙度出发,对快速抛光技术应用于平面大口径元件的加工效果进行了探讨。研究了在快速抛光技术中压力和主轴转速对材料去除率的影响,验证了Preston公式在快速抛光中的适用性,快速抛光技术的去除效率可达10μm/h;其次,研究了聚氨酯抛光元件面形的精度,对于330mm×330mm元件可达～1.0λ(λ=632.8nm);最后,对快速抛光系统中抛光粉颗粒大小及形态随使用时间的变化进行了观测,并测量了使用300目和500目抛光粉时快速抛光元件表面粗糙度以及其随抛光粉使用时间的变化。

大口径光学元件高精度平面磨床加工系统研究

以实现高精度、高效率、高自动化程度加工为目的,基于高精度平面磨床MGK7160的加工系统,详细分析了加工规划控制、计算机辅助制造软件系统开发、砂轮修整及动平衡、在位测量等关键配套工艺技术。在已有设备及配套工艺基础上利用400#粒度金刚石圆弧砂轮,实现口径400mm×400mm平面光学元件的加工,获得了较好的加工精度,验证了机床及加工技术系统的可靠性。

光学元件中高频PSD2误差的实验研究

光学元件的中高频误差一般采用功率谱密度(PSD)表示,其划分为PSD1和PSD2两个频段。针对目前国内外研究较少的PSD2频段误差,分析和实验研究了其潜在的影响因素。采用沥青和聚氨酯盘抛光熔石英元件的实验结果显示:小工具数控相比传统全口径抛光并未增大PSD2误差,而抛光盘材质对PSD2误差具有决定性的影响。沥青盘在抑制PSD2误差方向具有较好的优越性,工件表面的PSD2指标能够满足要求,而聚氨酯抛光元件表面的PSD2误差则较高。针对这一问题,提出采用固结金刚石丸片修整聚氨酯垫,通过细化金刚石颗粒获得了合格的PSD2指标。

光学元件表面微结构的局域场分布特性研究

在强激光系统中光学元件表面的微结构会引起局域场强增强,进而会影响元件抗激光损伤能力。采用时域有限差分方法对波长量级的表面微结构进行了电磁场分布的数值模拟,一方面为损伤模型的建立奠定了基础,另一方面也为光学元件的设计制作提供了理论指导。

先进光学制造技术发展研究

本文报告了高技术的牵引和市场需求推动是先进光学制造技术发展的动力。研究了先进光学制造技术分类方法。讨论了先进光学制造技术的概念，指出了继承和集成是先进光学制造技术主要特点。一大一小，一长一短，一刚一柔是其主要发展方向。

折射微透镜阵列的非成象光学特性研究

本文针对微透镜阵列与红外焦平面阵列集成的应用，对折射性微透镜阵列的非成象光学特性进行了研究和总结．采用系统性能评价因子来衡量微透镜的聚能效率，分析了系统参数对会聚效率的影响，并用标量衍射方法对几何光学分析结果进行了校验。

光学玻璃基底原子层同质材料沉积薄膜光谱及激光诱导损伤特性研究

通过原子层沉积技术在熔石英玻璃表面制备了同质材料的单层SiO_(2)薄膜,对光学薄膜的物理化学性质和强激光辐照下的激光诱导损伤性能进行了深入研究。实验中采用双叔丁基氨基硅烷(BTBAS)和臭氧(O_(3))作为反应前驱体,在熔石英光学元件表面进行了SiO_(2)薄膜的原子层沉积工艺研究,以不同沉积温度条件制备了一系列膜样品。首先对原子层沉积特性和薄膜均匀性展开了研究,发现薄膜生长厚度与沉积循环次数之间符合线性生长规律,验证了制备薄膜的原子级逐层生长特性,并且表面沉积膜层的均匀性很好,其测得膜厚波动不超过2%。然后针对不同温度条件下沉积的SiO_(2)薄膜,对其粗糙度及各类光谱特性展开了研究,对比结果表明:样品的表面粗糙度在镀膜后有轻微的降低;薄膜样品在200~1000 nm范围内具有出色的透过率,均超过90%并逐渐趋近于93.3%,且其透射光谱与在裸露熔石英衬底上测得的光谱没有明显差异;镀膜前后荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的差异证实了原子层沉积SiO_(2)膜中点缺陷(非桥键氧、氧空位、羟基等)的存在,这将会影响薄膜耐损伤性能。最后对衬底和膜样品进行了紫外激光诱导损伤测试,损伤阈值的变化表明熔石英元件表面沉积薄膜后的激光损伤性能有所降低,其零概率损伤阈值从31.8 J·cm^(-2)减小到20 J·cm^(-2)左右,与光谱缺陷情况表征相符合。薄膜中点缺陷部位会吸收紫外激光能量,导致局域温度升高,进而出现激光诱导损伤现象并降低抗激光损伤阈值。在选定的沉积温度范围内,较高温度条件下沉积的SiO_(2)薄膜其激光诱导损伤性能更好,可以控制沉积温度条件使得元件的抗损伤性能更为接近衬底本身,后续有望通过其他反应参数的优化来获得薄膜抗损伤性能的进一步提升。

光学波前参数的分析评价方法研究

针对飞切法加工的玻璃元件面形的评价,研究了小波变换在光学表面低频段和中频段误差的分析方法。采用小波分解变换方法将波前信号的多频率成分分离,选取小波基bior2.8,有效地提取出元件的面形信息,同时将所需的中频段信息与占主成分的低频信息分离,得到中频段的特征频率为0.18 mm?1。该方法避免了频域滤波法所导致的幅频特性失真的问题,且可以更好地分析波前信号的细节和频率特性。

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞片速度及完整性的影响。结果表明:空间分布为"平顶型"的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Cr可以大大提高膜与基底之间的附着力,从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。

光学元件亚表面缺陷的全内反射显微检测

光学元件亚表面缺陷的有效检测已成为高阈值抗激光损伤光学元件制造的迫切要求。基于全内反射照明原理开展了全内反射显微技术检测光学元件亚表面缺陷的实验研究。结果表明:全内反射显微技术可有效检测光学元件亚表面缺陷;入射光偏振态和入射角度会影响元件内界面下不同深度处驻波形式照明强度的分布,对于可见度发生明显改变的微小缺陷点能衡量出其一定的深度尺寸范围;利用显微镜精密调焦对界面下一定深度处缺陷成像,可知缺陷点的位置深度。

子孔径拼接干涉检测实验研究

为了满足国内ICF系统大口径光学元件的检测需要,提出了子孔径拼接干涉检测的方法。该方法是利用小口径干涉仪对大口径光学元件进行高精度波前检测。建立了拼接检测计算的模型。利用最小二乘法计算得到拼接参数,从而恢复大口径光学元件的全孔径波前相位分布。在理论分析的基础上设计了一套检测装置,对该装置的稳定性进行了实验研究。进行了两口径拼接检测的实验。拼接结果与全孔径检测结果进行了比较。结果表明,该检测方案能够满足大口径光学元件的检测要求。

基于Marangoni界面效应的数控化学抛光去除函数的研究

利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光(刻蚀)方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0. 72nm和0. 71nm。基于Preston假设, 建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线。

Sol-gel制备SiO_2增透膜的研究

以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,利用溶胶 凝胶法在碱催化下制备二氧化硅增透膜,详细研究了水解条件、溶胶陈化时间对膜层性能的影响。结果表明氨用量的增加对膜层的峰值透光率及峰值增透波长影响不大,但缩短了溶胶达到最佳涂膜效果的陈化时间,当NH3/TEOS摩尔比为0.9～1.05时,溶胶陈放一周内涂膜效果最佳。研究还发现溶胶折光指数最小时,涂膜后膜层增透效果最好,峰值透光率约98%,并可据此确定溶胶最佳涂膜时间。

大口径光学元件检测中的主要误差及其影响

使用 PSD作为大口径光学元件的质量评价标准 ,为保证检测系统的精度 ,标定了作为测试系统的大口径相移干涉仪的系统传递函数 ,并讨论了在对 ICF驱动器中所使用的光学元件进行检测时产生的两种主要误差 ,即 :由于放置倾斜导致的低频误差和由干涉条纹引入的高频误差。

大口径平面光学元件波前梯度数控抛光

针对改善光学元件的波前梯度均方根指标,在总结面形精度及面形分布对波前梯度指标影响规律的基础上,提出了基于匀滑面形拟合加工的方法,给出了该方法的基本思想和工作流程。首先,对原始面形数据进行扫描计算,标记波前突变数据。然后,采用NURBS拟合算法重构相邻面形突变点之间的数据,生成用于指导加工的面形数据。最后,根据待加工面形数据选择相应参数进行面形加工。采用多件610mm×440mm口径K9材料平面反射镜进行实验验证。实验结果表明,使用该方法进行数控加工,在2~3个加工周期内可使波前梯度均方根指标从11nm/cm收敛至7.7nm/cm以内,且面形几乎保持不变。

K9基片的亚表面损伤探测及化学腐蚀处理技术研究

研究了几种类型的腐蚀液对K9基片化学腐蚀的影响。通过腐蚀液对基片纵向腐蚀速度的变化初步判断了K9基片重沉积层的深度。考察了腐蚀前后基片表面参数的变化以及腐蚀对激光损伤阈值的影响。研究表明,特定的腐蚀液能够对K9基片进行平稳可控的腐蚀,并且腐蚀能提高其激光损伤阈值,其主要原因是去除了重沉积层及表面、亚表面缺陷中的污染物,但过多的腐蚀会暴露本来为重沉积层所掩盖的划痕等亚表面缺陷,所以腐蚀并非越深越好。同时,表面各种杂质与缺陷的去除能够提高材料的机械强度,从而也有利于提高材料的激光损伤阈值。