超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则，计算机生成全息图（CGH）是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此，面向制造过程，重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题，探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题，论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法，探讨加工原位干涉测量进展。最后，从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。

由于复杂曲面铝反射镜所具有的独特优势, 其在光学系统中的应用越来越广泛。但是只采用超精密车削加工的光学反射镜精度受到超精密车削加工“误差复映”的限制, 只能满足红外系统应用需求, 其应用的进一步推广遭遇瓶颈。采用超精密车削、磁流变抛光、计算机控制表面成形 (CCOS)的组合加工工艺, 并结合复杂光学曲面的计算全息图法(CGH)面形检测技术, 可以进一步提升铝反射镜的面形精度, 满足可见光系统的应用需求, 为复杂曲面铝合金反射镜的推广奠定了制造基础。

横向压电驱动变形镜在自适应光学系统中应用广泛, 其利用了压电陶瓷的横向逆压电效应驱动镜片实现变形。在高电场强度下变形镜迟滞曲线存在特殊的“蝴蝶形”, 增加了控制难度, 且变形镜无法正常工作。针对这一问题利用压电陶瓷极化及铁电材料的电滞回线理论进行了分析, 明确了蝶形曲线产生的原因。通过实验确定了变形镜矫顽场强度在-500~-400 V/mm之间, 迟滞曲线回归一般的“柳叶”形状。根据迟滞曲线的特点设计了静态的PID闭环校正系统, 并进行了校正实验。结果表明, 闭环校正后线性度得到明显提升, 迟滞率可降低至1.8%。

在飞秒单脉冲激光损伤 HfO2/SiO2薄膜样品实验中, 随着激光能量密度升高, 膜层从缺陷导致的点损伤发展到整层剥落, 损伤区域轮廓由模糊变清晰.研究表明, 尺度在纳米量级的颗粒缺陷会产生局部的场增强效应, 该效应与薄膜干涉场叠加, 造成了阈值损伤阶段损伤区域出现大量损伤点, 且由于飞秒激光对包括缺陷在内的薄膜材料的本征损伤特性, 使其损伤行为较为确定, 随着激光能量的提升, 薄膜出现更大面积的规则烧蚀区, 此时干涉场的作用上升到主导地位, 膜层的整层剥落行为掩盖了缺陷的诱导作用.

针对小特征尺寸连续位相板中频段成分分布广、误差梯度大的面形特点, 分析了离子束修形技术加工连续位相板过程中影响加工精度的几种因素, 包括扫描步距、材料去除方式、定位精度和材料去除量求解。分析指出: 根据采样定理确定去除函数的扫描步距可实现对不同尺寸特征单元的有效加工; 进一步优化材料去除方式能够确保修形过程中驻留时间的平稳运行, 实现全频段误差一致收敛。另外, 采用面形匹配方法对测量误差进行校正实验, 可获取准确的面形材料去除量; 而采用提高去除函数定位精度的方法可显著提升小尺寸特征单元的加工精度。基于研究结果, 在消除各种工艺误差的基础上, 采用离子束修形技术对特征尺寸小至1.5 mm, 面形峰谷值小于200 nm, 面形梯度高至1.8 μm/cm的连续位相板进行了高精度加工, 结果显示: 加工面形与理论面形的匹配精度达到8.1 nm (RMS), 证实了误差分析的准确性。

为进一步提升熔石英元件的激光损伤阈值, 研究了氢氟酸(HF)动态酸刻蚀条件下磁流变抛光工艺对熔石英元件激光损伤特性的影响规律。首先, 采用不同工艺制备熔石英元件, 测量它们的表面粗糙度。然后, 采用飞行时间-二次离子质谱法(OF-SIMS )检测磁流变加工前后熔石英元件中金属杂质元素的含量和深度; 采用1-on-1方法测试激光损伤阈值, 观测损伤形貌, 并对损伤坑的形态进行统计。最后, 分析了磁流变抛光工艺提升熔石英损伤阈值的原因。与未经磁流变处理的熔石英元件进行了对比, 结果显示: 磁流变抛光使熔石英元件的零概率激光损伤阈值提升了23.3%, 金属杂质元素含量也显著降低, 尤其是对熔石英激光损伤特性有重要影响的Ce元素被完全消除。得到的结果表明, 磁流变抛光工艺能够被用作HF酸动态酸刻蚀的前道处理工艺。

根据菲涅耳公式,推导出了溶液折射率和线偏振光反射率的关系,分别测定不同待测溶液折射率下线偏振光p分量和s分量的反射率,并与理论结果进行比较。实验用阿贝折射仪测定不同浓度下Na2CO3溶液的折射率;立足于光纤传感系统,以棱镜为敏感元器件、光为测量媒介,在敏感角入射的情况下,采用光电探测器对偏振光信号进行探测,经光电变换后利用信号调理电路实现信号采集,模数转换后运用单片机实现信息的处理,测定不同浓度溶液的反射率,与理论结果进行比较。结果表明,该方法在实时测量液体折射率的灵敏度、精度方面有较大改善。

根据洛伦兹电子理论、比尔定律以及朗伯定律,提出了溶液在一定浓度范围内与折射率线性关系的理论模型,并以光纤液体传感器为基础,引入“压差比”的概念,根据菲涅尔公式,从理论上得出溶液折射率与压差比的对应关系。通过偏振光调制法测量在不同浓度的Na2CO3溶液作用下的“压差比”,从而实时、准确地测量液体浓度。采用光电探测器对偏振光信号进行探测,经光电变换后利用信号调理电路实现信号采集,模数转换后运用单片机实现信息的处理。实验结果表明,该方法的测量精度为5‰,与传统方法相比有较大提升。

模拟并分析了波长为633 nm的偏振光通过Kretschmann-Raether微米级棱镜波导结构时的古斯-汉欣位移.在金膜厚度为45 nm的条件下, 当入射角为44.1°时, 利用稳态相位理论, 得到的最大束位移为+120 μm；当入射角为44.1°时, 利用COMSOL Multiphysics5.1软件中的波动光学模块, 得到的最大束位移为+3.37 μm.在共振角附近, COMSOL Multiphysics5.1模拟软件与稳态相位理论均得到正的古斯-汉欣位移, 但是COMSOL Multiphysics5.1软件模拟的结果远小于稳态相位理论仿真的结果.该研究对设计基于古斯-汉欣位移测量的高灵敏度传感器具有指导意义.

变形镜作为自适应光学系统中的关键部件,起到校正波前误差的作用。其中横向压电效应变形镜应用较为广泛,其设计参数对系统的性能有重要影响,因此需要进行优化设计。仿真表明,减小Si镜和PZT的厚度可以提高系统最大变形量,但会降低一阶固有频率。通过正交匹配两者的厚度参数可满足系统的工作要求。夹具的材料和结构参数会影响系统的热变形特性。使用与镜片材料相同的夹具,系统的热变形最小,对高度和壁厚进行优化可以减小甚至消除系统的热变形。最后,通过电压特性仿真得到了优化后变形镜各分立电极的影响函数。