全息光存储是一种利用全息方式去进行信息的记录和再现的存储方式。在同轴全息光存储中,需要光学头物镜对532nm和650nm两个工作波长聚焦于全息材料不同的焦面上,且都能达到良好的聚焦效果。由于记录和读取都在全息记录材料上,全息材料由保护层和记录层组成,由于折射率不均匀导致的像差会对物镜的聚焦效果产生影响。目前的商业物镜无法满足全息光存储中光学头的物镜需求。为了满足这类需求,达到良好的性能效果,论文利用Zemax OpticStudio 光学设计软件设计了一款针对全息光存储的双波长非球面光学头物镜,整体由一片非球面镜和一片球面镜组成。工作波长为532nm和650nm两个波长,焦距大于4mm小于6.2mm,像方数值孔径大于0.5,MTF值在空间频率为900lp/mm内均大于0.4,在全息材料上聚焦获得的波面相差均方根低于0.07波长。在上述技术指标下,该物镜具有较好的分辨能力和成像质量,论文方案为全息光存储光学头物镜的设计提供了新的思路。

传统的接触式加工不可避免地会在光学元件上产生亚表层损伤,而大气等离子体抛光(APPP)具有非接触、可定量去除、加工过程不受材料性能影响等优点,在光学加工领域有着巨大的应用潜力。但在实际加工过程中,光学元件加工后的收敛效果并不明显,经验证明去除量随驻留时间的变化呈非线性而导致了加工误差。针对这一问题,首先优化了加工参数;之后研究了加工原理以及加工残余物对后续加工的影响,分析了加工存在非线性效应的原因;提出了一种基于变去除函数的驻留时间算法,并进行了实验验证。结果显示,对尺寸为120 mm×65 mm×10 mm的熔石英光学元件进行变去除函数加工实验,面形峰谷值(PV)的平均收敛率由加工前的21.41%提升至加工后的60.52%,面形均方根值(RMS)的平均收敛率由加工前的24.13%提升至加工后的74.79%,实现了熔石英元件的高精度快速加工,验证了变去除函数加工的有效性。

大气等离子体抛光(APPP)是一种非接触式的化学刻蚀加工方法,具有效率高、成本低、精度高等优点,可以作为碳化硅(SiC)加工的一种有效手段。基于APPP气体放电理论和尖端电场畸变效应,分析了电极结构对等离子体放电稳定性和去除函数的影响;从理论上推导了APPP加工SiC的最优电极尖端半径,并进行了实验验证。在最优电极的基础上,系统分析了不同加工参数下APPP刻蚀SiC的去除函数的特性。通过优化电极结构和工艺参数,对直径为50 mm、初始面形误差峰谷(PV)值为475.846 nm、初始面形误差均方根(RMS)为124.771 nm的无压烧结碳化硅(S-SiC)进行加工,加工21 min后,S-SiC工件的PV值降低至103.510 nm,RMS值降低至12.148 nm,RMS收敛率达90.26%。实验结果显示:APPP加工SiC比大多数传统加工方法的效率更高。

全口径环形抛光中方形元件的材料去除率存在从中心到边角位置越来越大的现象,致使抛光工件出现塌角的面形,影响了方形光学元件的面形质量。基于Preston方程,通过改变元件的多种运动轨迹,计算了方形光学元件全口径的材料去除率分布。通过分析发现:使方形光学元件在保持原有自转的同时沿抛光模径向或与径向有一定夹角的方向摆动,且附加在元件整个抛光面上的运动速度保持一致时,可使方形元件的材料去除率分布得更均匀。通过附加这种运动方式可以有效控制方形元件的塌角现象。

Yb∶LuScO3晶体作为固体激光器的新型增益介质，其面形和表面质量严重影响激光器的光束质量，因此探索Yb∶LuScO3晶体的超精度光学加工工艺参数具有重要意义。本文系统开展了Yb∶LuScO3晶体超精密光学加工的工艺参数研究,针对Yb∶LuScO3晶体在加工过程中容易破裂和表面质量较差的问题，提出了拼接上盘和树脂铜盘抛光垫的关键技术。首先，使用COMSOL Multiphysics有限元软件对拼接工艺中选取的不同保护垫料的应力进行仿真。接着，研磨阶段逐步减小B4C磨料的粒径。然后，粗糙阶段使用树脂铜盘作为抛光垫，并对树脂铜盘抛光垫的作用进行了分析。最后，使用激光二极管泵浦加工好的样品进行激光输出实验。实验结果表明: 基于该技术加工后的晶体表面粗糙度RMS=0.296 nm，面形精度 PV=53 nm。在1 086 nm处获得了8.3 W的连续激光输出，斜效率为58%。该加工方法可以广泛应用于Yb∶LuScO3晶体的高精度加工。

采用热弹性模型, 对光学薄片点胶过程进行了有限元分析。对点胶后影响工件面形变化(Δp)的工艺参数进行了优化。研究结果表明, 对于光学薄片(直径为100 mm, 厚度为2 mm), 宜选择具有高弹性模量和低热膨胀系数的薄底板材料, 且胶点的半径、个数及弹性模量越小, Δp越小; 胶点位置应该避开高Δp区域; 胶点的热膨胀系数对Δp的影响较小。

针对大口径平面光学元件全频谱面形技术指标的高效率、高精度收敛, 研究了环形抛光技术。考虑环抛机沥青蜡盘的平面度直接影响工件面形的收敛效率, 本文利用准直激光束作为参考, 设计研制了测量精度高, 重复性精度达到±1 μm的大型环抛机抛光蜡盘平面度测量专用装置。分析了环抛过程中蜡盘表面平面度和工件面型PV值之间的变化规律和相关性, 根据测量数据得出了蜡盘平面度数据和工件面形的对应关系。实验显示: 当平面度和面形曲线相差较大时, 工件面形可快速收敛至1λ左右, 并由粗抛向精抛工序快速过渡。提出的大型环抛机抛光蜡盘平面度监测装置实现了对湿滑胶体平面的高精度、快速测量, 为环抛的确定性抛光工艺提供了重要的技术支持。

利用三坐标测量仪在光学非球面镜研磨与粗抛阶段进行面形检测时, 测量结果常由于补偿程序不完善而出现像散误差。本文分析了非球面三坐标测量得到的数据, 指出测量结果中出现像散误差是测头半径补偿不准确所致。然后, 提出了一种离线数据处理方法对测量数据进行补偿来消除像散误差。该方法通过计算网格排列的测头中心点行和列方向的切向量得出曲面上每个点的法向矢量; 根据测头半径计算出测头球心到接触点的偏移量, 从而实现三坐标测量仪的三维测头半径补偿。球面样板实验显示这种方法可以将该样板测量中的像散峰谷值(PV)由4.921 9 μm减小到0.065 2 μm, 基本消除了测量结果中的像散误差, 提高了三坐标测量结果的准确度。实验结果验证了提出的三维测头半径补偿程序的有效性。