惯性约束聚变高功率固体激光装置研制对大口径光学元件提出了全频段精度控制指标要求, 以及高效率、批量化制造需求。本文围绕“超精密、确定性”强激光光学元件全流程制造方法, 总结了近几年大口径强激光光学元件超精密制造技术取得的重要进展, 重点介绍了单点金刚石超精密切削技术、非球面超精密数控磨削技术、确定性抛光技术等一系列关键技术, 以及相关工艺及装备在强激光光学元件批量制造流程线中的应用情况。

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300~600 mm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6 h, 表面膜厚为212.4±0.3 nm, 薄膜均匀性达到0.4%.

为了解决大口径光学元件面形高精度测量问题，建立了拼接测量系统，通过测量得到整体表面面形。在拼接测量过程中，需要将待测面形进行划分，按着一定的顺序进行测量，再根据各个子口径之间的相对位置进行拼接。各个子口径存在重叠部分，采用均化的处理方法会导致高频面形数据的丢失。采用小波变换的拼接重叠区域融合方法可以减少高频数据的丢失。首先，对各个子口径的重叠区域分别进行小波变换得到低频和高频系数矩阵；然后，根据不同的方法对低频和高频系数矩阵进行融合得到新的系数矩阵；最后，通过小波逆变换得到整体面形。对尺寸为120 mm×40 mm的长方形反射镜面形进行拼接干涉测量，并用功率谱密度对本文方法和平均融合结果进行客观比较。实验结果表明，该方法可以保留更多的高频面形数据。

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求, 本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200 mm×300 mm×20 mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验, 采用误差均化拼接算法进行拼接, 并对拼接后的结果进行分析处理, 比较拼接测量与全口径测量结果, PV值的相对误差为3.1%, RMS值的相对误差为16%, Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。

为有效检测光学元件体内的缺陷情况, 利用全内反射技术, 让激光束在光学元件内部多次全内反射后获得缺陷的散射光斑图像, 结合基于最小二乘法的椭圆拟合等方法对散射图像进行处理, 得到缺陷的三维位置信息。对该方法进行了实验验证, 实验结果表明, 扫描采集35幅图像即可完成对尺寸为150 mm×120 mm×20 mm的大口径光学元件的全部缺陷检测, 待测样品缺陷点的深度位置定位精度优于150 μm, 说明该方法可以有效检测大口径光学元件缺陷点。针对可能影响实验结果的误差来源和限制系统分辨率的因素进行了分析, 结果表明提高成像系统横向分辨率或减小激光束横截面宽度均可有效地提高系统的分辨率。

为了实现大口径光学元件表面轮廓的高精度测量, 提出了一种大承载气浮回转工作台的调心技术, 并研制了一套具有偏心自动调整功能的测控系统。该系统主要由精密气浮回转轴、台达PLC、数显千分表和轮廓仪工作台组成。利用VC++的PLC串口通讯和偏心调整软件的控制, 实现了轮廓仪的自动调心功能。

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410 mm×410 mm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0.08 nm; 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。

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SiC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。

真空环境下大口径光学元件的装夹采用传统有机物无应力装夹方式会带来有机污染等各种问题。设计了一种大口径平面光学元件的夹具和装夹方案，利用金属结构直接装夹大口径平面光学元件，可在降低金属装夹框表面加工精度和光学元件处于任意倾斜角度等情况下，不产生光学元件装夹应力，同时避免了传统有机物无应力装夹而带来的有机污染。可广泛应用于大口径平面光学元件在光学工程、光学实验装置中的装夹。

针对大口径光学元件精密加工时上下表面存在温差的问题，以环形抛光系统为例，对抛光盘和工件温度特性进行了研究。在1.6 m环形抛光机上对工件温度进行了测定，结果表明即使在低速抛光情况下工件上下表面也会产生较大的温差。提出了合理搭配工艺参数和对工件非加工面绝热两种温差控制方法。通过采用控制变量法和对工件绝热抛光法进行测温实验验证了方案的可行性，为高精度面形加工奠定了基础。