大口径光学元件环形抛光技术与工艺

针对环形抛光工艺存在的表面面形精度不可控、工艺不稳定、操控性差的技术问题,采用环形抛光新方法,开展了大口径光学元件的预抛光、精抛光及精密检测技术与工艺研究。采用2m快速抛光机解决预抛光处理,为精抛光提供可靠面形保证。采用2 m智能环形抛光机解决精抛抛光加工技术,提高表面面形精度质量,具备批量生产能力、生产效率高。使用环形抛光技术对直径250~300 mm的大口径光学元件进行加工,表面面形精度RMS<λ/60。与传统抛光技术相比,环形抛光技术可以获得更好的表面面形精度。

基于高分辨力CCD的大口径光学元件疵病检测

介绍了一种利用高分辨力CCD快速检测大口径光学元件表面和体内疵病的方法。利用侧照明方式对大口径光学元件进行均匀掠射照明,表面和体内疵病因为散射在暗室成像过程中影像被放大。对比研究了疵病示踪尺寸和真实尺寸,得出近似数学关系,利用高分辨力CCD,通过一次性成像获得光学元件疵病尺寸近似值、2维空间位置等定量描述表面特征的信息。

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。

大口径光学元件的机械手抛光

为满足大口径光学元件多模式组合加工技术(MCM)的需要,研制了JP-01型数控抛光机械手。该机械手采用柱坐标结构,ρ-θ极坐标运动方式,ρ、θ两轴联动完成MCM加工所需各种运动。运用齐次坐标变换理论和Preston方程,在分析机械手抛光过程中工件表面上任意一点的相对速度、压强及抛光时间的基础上,建立了机械手抛光的材料去除数学模型,同时求解了JP-01型机械手的位姿转换矩阵。运用所建立的数学模型对MCM加工中修正环带误差和局部误差时单个抛光盘常用运动模式的材料去除特性进行了计算机模拟。应用JP-01型机械手对一口径为240 mm,F数为1.5的球面反射镜进行了确定性抛光实验,最终面形精度达到14.6 nm(RMS)。实验表明,所测得数据与理论分析数据吻合,建立的数学模型能真实反映材料去除分布特性,可以指导抛光实现确定性加工,JP-01型机械手能够提供MCM加工所需运动形式。

大口径光学元件环境热稳定性的有限元分析

讨论了靶场光学元件在环境热载荷作用下的变形分析理论和数学描述,采用有限元分析软件ANSYS建立了靶场反射镜的模型,用靶场实测环境温度变化作为载荷,计算得到了反射镜在靶场温度变化0.3℃时,垂直镜面方向的变形及其在平行于镜面平面内的转角漂移。结果表明:在当前的温控条件下,光学元件在环境热载荷作用下的变形满足稳定性设计要求。并计算了几种环境温度变化下反射镜的变形和转角漂移。初步的结果表明:环境温度变化与反射镜的转角漂移成正比。

基于子孔径拼接原理检测大口径光学元件

为了实现小口径干涉仪对大口径光学元件的低成本、高分辨力检测,可采用子孔径拼接方法。在对拼接算法进行改进的基础上,开发了拼接检测软件;建立了一套拼接检测系统,开展了大口径平面光学元件的子孔径拼接检测实验研究。利用9个60 mm×60 mm子孔径拼接来检测120 mm×120 mm的光学元件,检测结果表明:峰谷值误差为2.37%,均方根值误差仅为0.27%。

大口径光学元件薄膜厚度均匀性修正

研究了2.2 m高真空箱式镀膜机镀膜时的实际膜厚分布情况。对非球面和平面光学元件,分别采用行星夹具和平面公转夹具并利用修正板调节膜厚均匀性。从实验上实现了大口径薄膜均匀性的调节,并获得较为理想的结果。口径在700 mm范围内,对于凹面均匀性可以控制在0.7%以内,平面均匀性在1%以内;口径在1 200 mm范围内凹面元件均匀性可控制在1%以内,平面1 300 mm口径以内窗口均匀性可控制在1%以内。镀制了口径在400～1 300 mm的多种天文观测上使用的反射镜、增透膜等,获得了理想的光谱曲线与较好的使用效果。

大口径光学元件热稳定性初步分析

通过分析影响高功率固体激光装置中大口径光学元件稳定性的热激励源及其作用过程,指出日照瞬态温度、室内HAVC(A ir Cond itioning)系统以及局域瞬态热源是影响光学元件稳定性的主要因素;给出了大口径光学元件热影响的数学描述,并应用分析软件进行了初步计算.分析结果表明,热激励对光学镜片的影响不是靠简单的热载荷的单一作用过程,而是通过流动和传热的相互耦合,以及中间过程的转换,最终对光学镜片产生作用.因此,控制室内暖通空调系统的波动范围、减小镜箱内部温度变化、选用受热变形均匀和抗温度变形的镜片材料、减小温度引起的镜架热膨胀等是减小热激励影响的有效措施.

大口径光学元件功率谱密度的统计法测量

针对ICF系统要求,提出了一种基于统计理论的大口径光学元件功率谱密度测量方法。该方法将大口径波前划分成足够多个子区域,分别求得每个子区域波前的功率谱密度,根据统计理论可将大口径波前功率谱密度表示为各个子区域波前功率谱密度的加权平均,其权重因子是各子区域对应的面积。模拟计算和实验结果验证了统计法测量的有效性,并表明当子区域个数大于等于8×8时,统计法测量和子孔径拼接测量得到的功率谱密度吻合较好。统计法测量对平台移动精度和环境稳定性要求不高,可应用于大口径光学元件功率谱密度的过程检测。

大口径光学元件的精密磨抛与检测装备开发及应用

大口径光学元件超精密加工是一个复杂的系统性工程,涉及精密机床、数控、加工技术与工艺、精密检测和补偿控制等机电控各领域的专业知识,其发展与一个国家的高端制造技术及装备发展能力息息相关,也是一个国家综合国力的集中体现。主要介绍了厦门大学微纳米加工与检测联合实验室在大口径光学元件超精密加工技术及装备方面取得的研究进展,针对大口径光学元件磨削和抛光两个加工流程及其配套的精密检测技术,详细阐述了磨削装备及单元技术、可控气囊抛光机床及相关单元技术、精密检测装备及相关单元技术等的研究应用情况。这些技术研究从超精密加工的需求出发,借鉴国内外的研究经验和成果,通过对装备、工艺、检测等各方面整合,形成了具有自主知识产权的集磨削、抛光和检测装备及工艺技术的大口径光学元件超精密加工体系,这些技术与装备确保了大口径光学元件的高质量超精密加工。

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。

平差理论在大口径光学元件轮廓检测中的应用

为了更好地进行大口径光学元件轮廓测量,以激光跟踪仪作为测量的工具,引入测量平差理论对测量数据进行处理,以提高光学元件毛坯制作、铣磨加工阶段的轮廓测量精度。首先,对拟合误差的公式进行了推导,得出影响拟合精度的因素;之后,对于大口径元件轮廓测量的具体检测模型提出了提高拟合精度的方法;最后,对于实际的2 m量级口径的Si C主镜进行了实际的测量与拟合,并从F数、拟合残差、结构函数等角度分析了平差结果。所提出的方法对于大口径元件的加工检测具有较好的指导意义。

大口径光学元件斜入射反射波前误差测量和计算

针对测量高功率激光驱动装置中大口径矩形反射光学元件的波前误差时测量角度和使用角度不完全相同引入的测量误差,提出了将测量角度下的反射波前转换到使用角度的反射波前的换算及恢复方法。首先分析了将斜入射测量角度下的波前转换到使用角度下波前的余弦换算方法,得到了实际测量角度与实际使用角度下的波前误差计算关系;然后计算并分析了双三次插值算法本身引起的中频PSD1(功率谱密度)误差,指出在满足有效口径测量的情况下,选择的入射角度应该与实际使用的角度尽可能的相接近。最后,基于410mm×410mm的熔石英反射镜开展了误差分析和实验验证。利用该方法将0°反射波前换算到45°反射波前,并将得到的测试结果与45°直接测量得到的测试结果进行了比较。结果显示上述结果的PV值相差0.01λ,RMS值相差0.003λ,PSD1值相差0.08nm;表明该换算方法不仅能够准确计算出使用角度下反射波前的低频误差,而且能获得相对准确的中频段PSD1误差。

大口径光学元件透反射检测调整工装的研制与分析

为了检测光学元件面形精度和波前功率谱密度,研制开发了一套具备透射和反射检测功能的检测调整工装。该调整工装把光学元件及其旋转板、支撑座的重量通过连接板和杆端球面联结器传递到基座上,俯仰调节机构和偏摆调节机构只起调节作用而不需承受上述重量的影响,增加了姿态调节时的便捷性和稳定性。介绍了调整工装的结构设计,对调整工装的运动仿真、模态及稳定性进行了分析。使用该工装测量的结果为,410mm×410mm的大口径光学元件反射检测的PV为2.17μm,透射检测的PSD1为3.84nm,与已知测量结果的标准KDP晶体基本相同,说明该透反射检测调整工装测量结果真实可靠。

大口径光学元件气囊抛光工具刚度可控性

为保证气囊抛光过程中抛光运动的高稳定性和均匀材料去除率,对气囊抛光非球面过程中气囊工具刚度的可控性进行了研究。通过分析气囊抛光大口径光学元件时工具的受力情况,计算了气囊工具的刚度,并分析了气囊抛光工具刚度对抛光时材料去除的影响及气囊工具刚度的影响因素。设计了气囊工具刚度控制算法并进行模拟试验,仿真结果表明,在刚度标准值根据加工要求设定以后,即可通过调节工件对气囊工具的反作用力,使得气囊抛光大口径光学元件过程中气囊工具刚度可控。

基于离子束溅射大口径光学元件平坦化层均匀性研究

针对大口径光学元件溅射沉积膜厚不均匀的问题,采用离子束溅射平坦化层来改善光学元件表面粗糙度.利用膜厚检测仪测出光学元件沉积面上的中心区域以及各边缘区域的膜厚值,计算离子束在光学元件中心与边缘驻留时间比,并通过MATLAB拟合驻留时间分布规律,根据所得的数据进行逐级修正.实验结果表明,当驻留时间比优化为-26.6%时,可以实现在直径300～600mm大口径的光学元件上均匀镀膜,以熔石英表面上镀硅膜为例,溅射沉积6h,表面膜厚为212.4±0.3nm,薄膜均匀性达到0.4%.

大口径光学元件中频波前的检测

大口径光学元件中频波前的准确评价已成为高功率激光系统中关注的焦点,元件中频波前均方根值是重要评价指标之一。根据波前中频检测频段及波前检测设备频响特性,将波前的中频区域分为两个检测频段,分别采用干涉仪和光学轮廓仪实现了中频波前均方根值的检测。采用大口径干涉仪可实现全口径波前中频区域低频段波前的检测,通过比对大口径干涉仪和采用小口径干涉仪结合分块融合平均方法的检测结果,提出采用分块融合平均方法也可检测相应频段全口径波前均方根。采用光学轮廓仪通过离散采样的方法检测大口径元件中频区域高频段波前均方根,针对不同离散采样方式的实验结果表明:3×3的采样方式能满足对410mm×410mm口径元件中频区域高频段波前均方根的检测。

大口径光学元件装夹转运结构设计及分析

为了实现大口径光学元件的安全装夹、转运,通过光学元件开槽与不开槽两种装夹方式的分析,得出开槽夹紧转运方式将带来微裂纹、应力集中、成本高等缺陷,提出了利用摩擦力克服光学零件的重力和惯性力的低应力装夹转运方案。通过对光学元件低应力夹紧结构设计,并利用有限元分析方法,得到不开槽装夹方式下,光学元件的最大主应力为1.11 MPa,最大切应力为0.73 MPa,远低于光学元件破坏的强度极限,且受力均匀,无应力集中现象。

中科院自动化所实现大口径光学元件表面微粒在线检测

近日，中国科学院自动化研究所精密感知与控制中心研究员徐德、张正涛在IJAC第4期发表了研究论文An Effective On—line Surface Particles Inspection Instrument for Large Aperture Optical Element。文章介绍了最新设计的一款新型紧凑检测仪，可用于快速检测LAOE表面的微粒污染，该仪器携带方便，实现在线检测。

大数据分析的大口径光学元件检测误差

为更全面测量大口径光学元件的误差,提出基于大数据分析大口径光学元件检测误差。采用大数据分析中的Simhash去重算法计算数据相似性,并将重复数据去除;利用数据平差方法计算去重后数据的条件平差与间接平差,依据平差值构建元件测量模型;通过测量坐标转换再次计算测量结果,利用随机方向法寻优计算拟合误差最小值,得到最合适拟合误差坐标系,实现大口径光学元件检测误差分析。经实验验证:该方法数据传输吞吐量大;大口径光学元件误差与实际误差接近,检测精度超过95%。