“天光”一号MOPA系统光学元件加工与镀膜的进展

本文阐述了在中国原子能科学研究院“天光一号”ＫｒＦ激光核聚变实验装置上，ＭＯＰＡ系统光学元件加工与镀膜研究工作的进展。实验测量结果表明，加工后的基片表面均方根粗糙度对于Ｋ９光学玻璃与熔融石英玻璃来说分别为σｒｍｓ＝１．８±０．５ｎｍ，σｒｍｓ＝２．０±０．４ｎｍ。镀ＨｆＯ２／ＳｉＯ２高反射膜的光学元件的反射率与破坏阈值分别为Ｒ＞９９．５％，Ｅｔｈ＝１．３０～１．３３Ｊ／ｃｍ２。镀Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＦ２增透膜的光学元件的透射率与破坏阈值分别为Ｔ＞９９．５％，Ｅｔｈ＝１．３～１．９７Ｊ／ｃｍ２。

光学元件加工亚表面损伤测量

光学元件的加工亚表面损伤强烈地影响了强激光系统的性能和寿命。光学冷加工残留的亚表面损伤不但会为加工中产生的吸收入射激光的杂质粒子提供宿主，还能调制入射激光增强局部电场，这些都会使光学元件的损伤阈值降低而有可能最终引起光学元件物理破坏；另一方面，微裂纹本身可以使光学元件的机械强度降低，而且一般情况下这些裂纹会增长，也会最终导致光学元件不能用，因此不得不更换元件，导致成本增加。基于以上原因，这些亚表面微裂纹必须在光学加工的最终步骤中去除。一般这些亚表面微裂纹使用抛光的方法进行去除，

高精度角度加工技术研究

激光陀螺不仅对合光棱镜角度精度有极高的要求,而且对角度和尺寸的一致性有严格的限制。为了加工这种高精度角度光学元件,提出通过手修工装母体复制出成盘加工工装,再复制出光学零件的加工方法,并分析了测角仪的测量精度、面形之间的匹配误差和平行的测量误差所引入的角度加工误差情况,提高了面形加工的平面度,避免了局部不规则现象,控制了温差对面形变化的影响。另外通过降低平行测量的误差以及减小闭合角度之间的叠加误差等具体措施也可以提高光学元件加工效率和角度加工精度。

基于激光跟踪仪标定五轴数控加工中心主轴

为了满足高精度加工大口径光学元件的需求,对原有的三轴机械加工中心上进行了一系列技术改造,从而实现了光学元件的五轴数控加工。介绍了三轴系统数控加工中心到五轴数控加工中心的改造过程,并提出了一种标定改造后主轴参数的方法。该方法运用高精度激光跟踪仪建立坐标系、采集数据,计算系统几何参数,由此对主轴的杆长、摆角等参数进行精确标定和精度分析。结果显示,角度量标定精度优于10.000″,长度量标定精度优于0.040mm。实验证实提出的方法对类似的工作具有普适性。

光学表面微缺陷的高对比度暗场成像检测方法

提出了一种新型的暗场显微成像方法(环状孔径显微术,Circular-Aperture Microscopy,CAM)用于光学加工表面的缺陷检测。该方法的关键在于,在CAM物镜中心放置一个遮挡片用于消除照明直射光的影响,而缺陷的散射光能够通过物镜的环状透射区域形成高对比度的图像。对划痕和麻点标准比对板、分辨率测试板、微粒悬浊液等样品的成像结果表明,CAM具有原理简单、对比度高、分辨率高、精度高的优势,能够为光学表面加工中的缺陷检测提供一种有效的方法。

氟化钙抛光加工工艺及进展

氟化钙(Calcium fluoride,CaF_(2))晶体是一种非常重要的光学晶体,因其具备高透射率和良好的长期辐射稳定性被广泛应用于光学仪器中。随着光刻技术向较短波长的发展,CaF_(2)更是成为极紫外光刻物镜的首选材料。CaF_(2)是一种典型的脆性材料,断裂韧性很低,一般通过抛光加工制成CaF_(2)光学表面,所以其抛光加工技术与工艺尤其重要。总结了CaF_(2)的主要加工方法、工艺及研究成果,介绍了其粗加工阶段所涉及的超精密切削和固结磨料研磨方法;重点从超精密抛光这一方面,较全面地概述了浮法抛光、化学机械抛光、固结磨料抛光、磁流变抛光、振动辅助固结磨料抛光和离子束抛光等抛光方法的原理及进展,并对以上加工方法进行对比;最后,对CaF_(2)抛光加工技术的未来发展方向做了初步展望。希望能为CaF_(2)加工领域后续深入研究提供参考。

离轴非球面的计算全息图高精度检测技术

为了实现离轴非球面高精度定位、光路对准及面形检验,提出了一种使用计算全息图(CGH)技术实现离轴非球面高精度光学检测的方法。将被检非球面倾斜平移后作为轴上自由曲面进行CGH补偿检测设计,从而减小了检测光路的相对口径和CGH所需补偿像差,提高了CGH检测精度。使用自行开发的CGH专用设计计算软件,设计完成的CGH同时具有非球面检验、检测光路对准、被检非球面基准定位等多项功能。采用该方法设计(设计精度优于λ/10 000rms)并制作CGH对面形精度优于λ/50rms的离轴非球面进行了检测,误差分析表明,其检测精度优于λ/100,与传统null-lens方法的检测结果精确吻合。实验表明,采用该CGH可同时实现离轴非球面位置高精度定位、CGH与干涉仪对准以及离轴非球面高精度面形检验。

灰度掩模技术

二元光学被誉为“1 990年代的光学技术” ,在国防、科研、生产等领域都显示出广阔的应用前景。衍射光学元件有很多制作方法 ,比较成熟的有二元光学元件加工方法和激光或电子束直写技术加工方法。二元光学元件加工方法存在周期长、成本高且对准较困难的缺点。激光或电子束直写技术所需设备比较昂贵 ,只适合高精度单件生产。介绍了近来发展起来的另一种比较有前途的加工方法一灰度掩模法 ,并展望了其发展前景。

液浮法抛光优化技术

一种新的光学元件表面抛光工艺—液浮抛光技术,采用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为抛光液,流体在抛光区域形成液膜,实现对工件表面高效、低损伤的加工。以材料去除量以及工件表面粗糙度作为评价指标,利用正交实验法对K9玻璃抛光过程中的四个关键影响因素:磨粒质量分数、磨头入口压强、磨头重力、剪切增稠相中分散相的质量分数进行实验分析,得到一组最优参数组合以及各主要影响因素对抛光效果的影响程度。对于工件表面粗糙度,采用极差法得出各因素对整个工件的影响程度的主次顺序为(主→次):二氧化硅质量分数、磨头重力、入口压强、磨粒质量分数,最佳参数组合为:磨粒氧化铈质量分数为14%,入口压强为0.3MPa,剪切增稠相中分散相二氧化硅质量分数为9%,磨头重力为34.3kg;对于材料去除量分布,经过90min的抛光,其平均去除量为0.2μm。

石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究

本文针对目前石英玻璃光学元件加工效率低,塑性域磨削难以实现的问题,研究了石英玻璃的高效可控精密磨削机理。从材料的力学响应机理及磨粒与工件接触区的应力状态入手,研究了石英玻璃磨削过程中的材料去除机理。建立了单颗磨粒划擦石英玻璃的弹性应力场解析模型。建立了磨削过程中单颗磨粒划擦原始损伤石英玻璃表面的裂纹失稳扩展临界函数,研究了石英玻璃表面微裂纹损伤的可控磨削机理。提出了石英玻璃的低裂纹损伤全脆性域磨削和高效可控塑性域干磨削工艺。

基于非牛顿流体新型液浮法抛光技术研究

提出一种新的柔性抛光技术——液浮法抛光,通过软件仿真及实验对其进行探索性研究。针对抛光液为具有剪切增稠效应的流体,利用软件对该类液体的液浮法抛光技术模型进行流场分析,得到液浮抛光模型的流场压强、剪切力分布情况。仿真结果表明,液浮抛光技术对被加工件表面具有一定的剪切效果,可以实现对工件材料的去除。搭建实验平台,设计一组实验,其中配置以粒径12nm的二氧化硅为溶质,分子量200的聚乙二醇为溶剂的非牛顿幂律流体作为抛光液的剪切增稠基液(其中二氧化硅质量分数为9%),加入质量分数为18%的氧化铈作为磨料的抛光液,对于初始粗糙度为23.97nm的K9玻璃经过90min的抛光,其粗糙度可达到1.023nm,实验结果表明,该技术可用于光学元件的抛光加工。

铜反射镜车削刀纹修抛工艺技术研究

单点金刚石车削技术虽然可以使铜反射镜获得较好的表面粗糙度,但同时也产生了车削刀纹,刀纹引起镜面光的散射现象,严重影响系统的光学性能。为研究去除铜反射镜车削刀纹的修抛工艺最佳参数,采用4因素4水平正交实验法,通过ZJP350平面精磨抛光机进行抛光工艺实验,以及Zygo Newview 8200白光干涉仪对铜反射镜的刀纹去除情况和表面粗糙度进行检测。结果表明:铜镜胶盘的方法会使铜镜表面产生划痕以及塌边现象,而阻尼布手工修抛法则可避免这些问题。实验得到了最佳修抛工艺参数,可使铜基反射镜表面刀纹去除,粗糙度平均值达到2.387nm,低于初始数据。证明该方法可在不破坏车削精度的前提下去除车削刀纹,对其他金属反射镜刀纹去除的研究具有参考意义。

环形抛光的生产工艺

在大口径超精密平面光学元件加工中，环形抛光（简称环抛）是一种重要的抛光技术。由于抛光的过程复杂，并受很多因素影响，环抛加工技术一直未能取得有效突破，也未能形成稳定的生产能力。文中用主动轮方法精确控制校正盘和元件转速，进行抛光胶配比实验及新抛光胶盘的制作、抛光胶盘开槽改进、新制胶盘面形快速收敛、区域环境的控制改进、改变抛光液pH值控制胶盘老化等，以提高环形抛光的效率。

高分辨率波前检测技术

“神光”-Ⅲ装置对所使用的光学元件不仅提出了大口径的要求（200mm以上），而且对于光学元件表面波前空间频率上中高频段的小尺度的制造误差也提出了要求，因为这种中高频分量扰动将可能严重影响整个光学系统的性能。目前，能够检测用于“神光”-Ⅲ装置或其它大型系统的大口径光学元件的相移干涉仪设备价格十分昂贵，而且体积庞大，试验环境改造成本高。并且，普通激光相移干涉仪很难同时满足光学元件面形精度与空间分辨率的要求，即不能得到被测大口径光学元件在空间波长毫米及亚毫米级的波前信息。从而不能得到对于光学元件在频域内的全面分析，造成了光学元件加工中高频段的盲区。