在高能、高功率激光系统光路中的超光滑光学元件上的高反射薄膜表面出现污染时, 会导致光学元件的损伤, 激光透过率下降, 影响激光传输质量, 并降低光学元件的损伤阈值, 制约系统的负载能力和高通量稳定运行能力。为了尽可能减少元件表面污染物的沉积, 对污染物沉积特性进行研究显得尤为重要。对密闭玻璃腔中超光滑元件表面的污染物沉积特性进行了研究, 利用原子力显微镜和傅里叶红外光谱仪对不同手段处理后的样品进行测试和分析, 实验结果表明, 随着放置时间的增加, 表面污染物的沉积越来越多。这种污染物中可能含有—NH化学键, 会引起超光滑元件表面粗糙度的变化, 可以使用酒精、丙酮或铬酸清洗, 或者氧气氛围中等离子体放电等手段有效去除, 但高温烘烤对污染物的消除没有明显的效果。根据上述实验结果, 结合光学元件加工流程的综合分析, 认为造成零件表面污染的原因是光学元件加工过程中残留的物质, 在真空环境下缓慢释放所致。因此, 对于洁净度要求极高的超光滑光学原件, 在加工过程中尽可能地使用容易被简单溶剂消除的辅料, 并在完成加工后减少贮存时间, 尽快进入清洗工序, 可以有效提升光学元件洁净度。

利用1 064 nm和355 nm两种波长的纳秒激光研究了K9光学元件体内成丝损伤的特点及损伤增长规律。结果表明, 当以高于元件体损伤阈值的能量辐照样品体内时, 必然会在体内形成丝状损伤。两种激光辐照都会在元件体内首先形成等离子通道, 在后续激光的辐照下, 靠近入射激光处的损伤点吸收更多能量发展为更大的成核损伤点, 逐渐向前表面增长, 并伴随大量裂纹的纵向扩展。所不同的是, 355 nm激光诱导元件体内成丝损伤时存在多条丝状通道; 而1 064 nm激光即使在远大于初始损伤阈值的激光能量辐照下, 也没有观察到非常明显的丝状损伤。同时实验也发现, 两种波长诱导的丝状损伤的损伤增长面积随激光辐照发次的增加呈现指数趋势增长, 355 nm导致的损伤增长速度大于1 064 nm对应的速度。

设计了一种微小型光学元件尺寸的视觉测量系统。提出一种穹顶光和同轴光结合的暗场散射照明方案来突出元件的表面特征;利用子区域和全图的亮度差值进行光照补偿,以消除边缘重影;针对边缘局部亮度过高且不均的问题,使用基于区域分割的Otsu算法提取边缘。使用最小二乘法拟合元件边缘计算尺寸。实验结果表明:基于区域分割的Otsu算法测量长和宽的平均误差分别为1.5 μm和4.1 μm,较Canny边缘检测算法测量的结果,减小了10 μm以上,测量不确定度为0.5 μm和1.1 μm,较改进前的算法,受光照影响小,准确度和鲁棒性更高。

针对激光诱导K9玻璃元件体损伤问题,利用在线成像技术获得激光诱导体损伤时的侧面和正面图像,并分析体损伤中成丝损伤的特点及成丝损伤中成核损伤和裂纹对损伤增长的影响。结果表明,当激光辐照能量大于体损伤阈值时,体损伤会以成丝损伤、成核损伤及损伤增长的形式出现,但只有最靠近入射激光方向的成核损伤点会在后续激光辐照下出现持续增长现象。成核损伤在损伤增长过程中的裂纹更多向纵向和逆激光传播方向扩展。同时,在相同能量的激光辐照下,损伤面积的增长强烈依赖于成丝损伤点的长度,且从侧面方向观察到的损伤点的损伤增长系数大于从正面方向观察到的。研究结果为对K9玻璃元件体损伤及其在后续激光辐照下的损伤增长规律研究提供了参考性。

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。

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12 nm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23.97 nm的K9玻璃经过90 min的抛光, 其粗糙度可达到1.023 nm, 实验结果表明, 该技术可用于光学元件的抛光加工。

提出了一套系统的激光焊接工艺设计方法, 运用ANSYS软件对单纤双向光组件(BOSA)建立了一种简化有限元仿真模型, 采用间接焊接应力场的数值模拟方法, 研究了单光束激光焊接下的最小偏移参数。结合优化后的参数分析了不同激光焊接机参数下焊后光功率的损失情况。结果表明, 当单光束激光功率为100 W、脉冲宽度为0.2 ms、光斑半径约为0.18 mm时, 光组件具有最小偏移, 优化后光功率损失比降低了7.1%。

利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究。设计并搭建了相应光路系统记录全息图, 采用角谱算法数值重建物光场, 通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变, 获得了经过待测光学元件表面缺陷调制的物光相位分布, 并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌。实验以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象, 分别获得了它们的三维形貌, 以其中一条实际宽度为35 μm、深度为270 nm 的划痕为例, 测量得到该划痕的宽度为35.21 μm, 平均深度为267.6 nm, 与真实值相比, 横向测量误差为0.6%, 纵向测量误差为0.9%。实验结果证实该测量方法是有效、可靠的, 能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌, 因而有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响, 对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义。

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。