介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率, 我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作。综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展。文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长。描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜)。最后, 给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术。文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求, 显著提升了光学元器件的研发和生产能力。

综述了近五年来为神光装置研制大口径熔石英采样光栅所取得的主要进展。提出了大尺寸采样光栅的化学机械抛光技术, 将全息光刻-离子束刻蚀的430 mm口径采样光栅的采样效率均匀性控制在均方根值低于5%, 满足了采样光栅的设计要求。针对采样光栅的阈值特性, 利用二次离子质谱技术, 定量表征了采样光栅制备过程中引入的污染及其清洗效果, 优化、发展了采样光栅的清洗方法。探索了基于氢氟酸和感应耦合等离子体刻蚀的熔石英基底处理技术, 结合干湿法处理技术来去除熔石英光栅基底的亚表面损伤。为进一步提升采样光栅抗激光辐射损伤特性, 提出将发展大尺寸熔石英采样光栅的氢氟酸处理方法及具有亚波长减反光栅结构的采样光栅的制备方法。

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求, 探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400 mm口径K9反射类坯片精密退火工艺, 形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜, 并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后, 综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400 mm口径传输反射镜在1 053 nm处以45°入射时, 其表面粗糙度优于99.8%, 面形PV值小于λ/3 (λ=1 053 nm), 损伤阈值大于30 J/cm2(5 ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置, 有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。

综述了国内外科研人员在高性能偏振膜的研制方面开展的工作, 主要涉及偏振膜光谱性能、抗激光损伤阈值和膜层应力控制等方面的研究。针对我国神光系列装置对偏振膜的性能要求, 简述了中国科学院上海光学精密机械研究所采用电子束沉积技术在光谱性能、损伤阈值和面形精度三个方面开展的研究工作。给出了在薄膜设计、制备和后处理等方面进行的研究和取得的进展。结合上述研究成果, 得到了低缺陷密度、低应力的高性能偏振膜。 由本科研团队研制的布儒斯特角薄膜偏振器在在2012年和2013年SPIE激光损伤国际会议(SPIE Laser Damage)组织的全球性偏振膜激光损伤阈值水平竞赛中连续取得了p分量损伤阈值和平均损伤阈值最佳的结果。另外, 通过解决应力诱导膜层龟裂的重大技术问题, 在国内首先推出了大口径偏振片, 该大口径偏振片满足透射率TP>98%,反射率RS>99%的光谱性能要求和17 J/cm2(9 ns)的通量运行要求, 有力支撑了我国SGII-UP大型激光装置的稳定运行。

介绍了制备光学合成石英玻璃的常用工艺方法, 包括化学气相沉积、等离子化学气相沉积和间接合成法等; 给出了不同光学石英玻璃使用的原材料、它们的特点及其在不同领域的应用综述了该项技术在国内外的发展现状。比较了上述制备方法的优缺点, 其中立式化学气相沉积工艺是目前最成熟的商业化工艺, 可用于制备直径达Φ600 mm以上、光学均匀性优于2×10-6、抗激光损伤阈值达30 J/cm2@355 nm的大尺寸合成石英玻璃; 等离子化学气相沉积工艺可制备内在质量优异、羟基含量≤5×10-6、光谱透过率T190-4000 nm≥80%的全光谱透过石英玻璃; 间接合成法可制备光吸收系数小于1×10-6/cm@1064 nm、羟基含量≤1×10-6、光谱透过率T157-4000 nm≥80%的石英玻璃, 而且易于掺杂及控制缺陷, 进而制备各类掺杂特殊功能的石英玻璃。文章最后指出: 上述制备工艺各有优缺点, 应根据高端光电技术领域的应用需求采取适当的制备工艺。

比较了国内外高功率激光钕玻璃的主要性质及发展状态, 重点分析了中国科学院上海光学精密机械研究所近年来研制的大口径N41型激光钕玻璃的物理性能及其在400 mm口径片状放大器系统中的增益特性。利用优化片状放大器技术方案, 测定了N41钕玻璃与N31~42钕玻璃的小信号净增益系数和大口径增益均匀性。实验显示, 在相同测试条件下, N41型钕玻璃的某些关键性能参数优于N31型钕玻璃; 在相同抽运条件下, N41钕玻璃和N31钕玻璃的平均小信号净增益系数分别达到5.3%和5.16%, 远优于神光-Ⅲ主机N31~35钕玻璃的在线测试结果; 385 mm口径内N41钕玻璃增益均匀性为1.085∶1, N41钕玻璃的包边性能满足装置使用要求。结果表明: 新型N41钕玻璃的增益性能较N31钕玻璃有了显著提升, 在放大器结构优化的条件下, 可满足下一代ICF激光驱动系统的需求。

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。

回顾了国内在激光预处理技术研究方面取得的进展。综述了基于激光预处理技术提升基频介质膜、磷酸二氢钾/高掺氘磷酸二氢钾(KDP/DKDP)晶体等光学元件抗激光损伤性能的机理、效果和关键技术。针对高功率激光驱动器中关键光学元件激光负载能力的提高, 建立了大口径光学元件激光预处理平台, 实现了基频介质膜元件的激光预处理工程化作业。比较了纳秒和亚纳秒脉冲宽度激光对DKDP晶体损伤性能的影响。基于亚纳秒激光预处理后, 纳秒激光辐照至14.4 J/cm2(5 ns)尚未出现"本征"损伤的实验结果, 提出了用于DKDP晶体的亚纳秒激光预处理方案, 并指出亚纳秒激光预处理技术将成为高功率激光三倍频晶体抗激光损伤性能达标的关键技术。

为了明确氧碘化学激光器腔镜损伤的原因, 对腔镜表面的缺陷进行了研究。利用扫描探针显微镜观察了激光器腔镜表面缺陷, 分析了腔镜表面微观形貌, 讨论了常见缺陷的形状及成因。然后, 建立了简化的带污染物腔镜的模型。利用COMSOL Multiphysics软件对环形光束辐照腔镜进行了仿真计算。最后, 给出了缺陷大小、功率密度和腔镜表面温度的关系, 分析了吸附层对腔镜熔融损伤的影响。计算结果表明: 腔镜表面污染物大小不变时, 激光辐照的功率密度越大, 温度增长越快, 薄膜表面越容易出现熔融损伤; 腔镜表面污染物半径达到2.3 mm时, 腔镜薄膜即可出现熔融损伤。另外, 吸附层吸收系数增加1%, 腔镜最高温度增加约210 K。本文所得结论可为分析腔镜损伤原因和制定腔镜更换依据提供参考。

针对355 nm激光作用于熔石英光学元件后其损伤阈值容易变差的问题, 提出使用1.7%纯HF溶液和0.4%HF与1.2%NH4F混合的BOE溶液对样品进行处理来提高它们的激光诱导损伤阈值(LIDT)。在相同的条件下将熔石英光学元件浸没到上述两种不同的刻蚀溶液中进行处理, 通过测量刻蚀过程中元件重量变化来计算刻蚀速率, 利用Zygo轮廓仪测试元件表面粗糙度, 然后对355 nm激光照射下熔石英元件的损伤阈值情况进行研究。损伤测试表明, LIDT与元件的材料去除深度有关系, 用两种刻蚀液刻蚀去除一定深度后, LIDT均有增加, 但是进一步去除会显著地降低元件的LIDT。在处理过程中, 这两种刻蚀液的去除速率都很稳定, 分别为85.9 nm/min和58.6 nm/min左右。另外, 元件表面的粗糙度会随着刻蚀时间的增加而变大。在刻蚀过程中还通过纳米技术测量了熔石英元件表面的硬度及杨氏系数, 不过没有证据表明其与激光诱导损伤有明确的关系。

针对强激光系统中常用的1 053 nm激光器进行了偏振光栅结构的优化设计。利用严格耦合波理论分析了光栅偏振器的衍射特性及消光比, 分析显示偏振光栅周期为600 nm, 占宽比为0.535~0.55, 槽形深度为1 395 nm~1 420 nm时, 可保证其在1 053 nm波长下, 透射率高于95%, 消光比大于1 500。基于分析结果, 利用全息光刻技术制作了高质量光刻胶光栅掩模, 并采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀的方法对该光刻胶光栅掩模进行图形转移, 制作了底部占宽比为0.54, 槽形深度为1 400 nm的光栅偏振器。实验测量显示其透射率为92.9%, 消光比达到160。与其他制作光栅偏振器方法相比, 采用单光刻胶光栅掩模结合倾斜转动的离子束刻蚀工艺, 不但简化了制作工艺, 而且具有激光损伤阈值高、成本低的优点。由于该技术可制作大面积光栅, 特别利于在强激光系统中应用。

介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所开展的激光钕玻璃连续熔炼技术, 描述了该项技术近年来的研究进展和研究成果。给出了N31激光钕玻璃的连续熔炼流程, 介绍了开展的磷酸盐钕玻璃连续熔炼单元技术的模拟, 连续熔炼实验线的设计、建设、改造和验证等大量工作。成功完成了除羟基、除铂颗粒、过渡金属杂质离子控制、大尺寸成型和低应力隧道窑退火等一系列关键单元技术, 实现了N31钕玻璃的连续熔炼批量制造。实验显示: 连续熔炼N31激光钕玻璃的荧光寿命、激光波长吸收损耗、光学均匀性等指标达到了神光装置的使用要求。比较结果显示: 连续熔炼钕玻璃的参数一致性和400 nm吸收系数指标均优于坩埚熔炼的激光玻璃; 而它的3 333 nm吸收系数和铂颗粒破坏阈值优于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室报道的连续熔炼LHG-8钕玻璃。

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。

提出了一种用于飞秒钛宝石激光器的复合型透射式脉冲压缩光栅。该光栅由1 250 line/mm和3 300 line/mm两种光栅集成在一个熔石英基底上制成, 其工作中心波长为800 nm, 工作波段为700~900 nm。1 250 line/mm光栅用于脉冲压缩; 3 300 line/mm光栅的运用则有益于减少透射光栅的反射损失, 同时由于采用高频光栅结构代替了传统增透膜, 可有效减少光栅基底的波前形变。该复合光栅完全由熔石英材料构成, 故具有很高的损伤阈值。利用严格耦合波理论对该复合型透射光栅的微结构进行了优化设计, 结果表明: 1 250 line/mm光栅在中心波长800 nm处的-1级衍射效率可达98%; 3 300 line/mm增透光栅的透过率在700~900 nm波段可以达到99.7%以上。最后, 应用全息记录技术和离子刻蚀技术实际制备了Φ65 mm×1 mm的复合式透射脉冲压缩光栅, 实测衍射效率与理论设计相符。

研究了惯性约束聚变高功率激光驱动器使用的脉冲氙灯灯管(复合石英灯管和掺铈石英灯管)的光谱性能和抗冲击性能。分别对新复合石英灯管、新掺铈石英灯管、放电14 000发次的复合石英灯管、放电14 000发次的掺铈石英灯管进行了光谱透过率测试和实验对比。结果显示: 复合石英灯管和掺铈石英灯管光谱性能都达到了高功率脉冲氙灯灯管的光谱指标, 但掺铈石英灯管光谱透过率比复合石英灯管高约1%。对复合石英灯管和掺铈石英灯管进行了成分测试以验证其光谱性能。结果表明: 除铈以外, 掺铈石英灯管的其他金属杂质含量均低于复合石英灯管, 认为其是掺铈石英灯管光谱性能优于复合石英灯管的一个原因。模拟了氙灯的放电运行, 分别对复合石英灯管和掺铈石英灯管进行了动态抗冲击性能测试。结果表明, 复合石英灯管的抗冲击性能较掺铈石英灯管高约6%。

考虑激光脉冲啁啾放大与压缩技术要求脉冲压缩光栅有较低的像差, 设计并制作了一个小形变变形镜来补偿大口径光栅基板加工残余的亚微米级静态像差对光栅波像差的影响。 该变形镜有效口径为80 mm、厚度为5 mm, 包含19个分立式压电促动器。采用干涉仪测量得到各个促动器的响应函数, 构建了变形镜的刚度矩阵; 采用最小二乘法求解出获得目标面形时各个促动器上所需施加的控制电压; 通过整体优化和局部优化的结合, 使变形镜的目标面形得到了有效控制。应用该变形镜构建了主动式全息光学记录系统, 并选用具有较大像差的基板开展了光栅像差补偿实验。实验显示, 对残余像差为~0.93λ的基板, 采用变形镜后制作出了残余波面PV可达0.14λ(@ 633 nm)的脉冲压缩光栅, 验证了小形变变形镜在光栅基底像差补偿上的有效性。

利用电子束蒸发技术制备了氧化铪薄膜, 并分别用氧气氛下退火和激光预处理两种后处理方法对样品进行了处理。介绍了两种后处理工艺和相关的设备, 测试分析了样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值。对比了两种后处理方法对降低吸收和提高激光损伤阈值的效果, 讨论了它们的作用原理。实验结果表明,激光预处理能有效降低样品的吸收值, 提高样品的抗激光损伤阈值。采用一步法(50%初始损伤阈值)预处理后, 三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13 J/cm2提升到15 J/cm2; 采用两步法(依次50%、80%初始损伤阈值)预处理后, 三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13 J/cm2提升到17.5 J/cm2 , 损伤几率曲线整体向高通量区域平移。

为了高精度地检测长焦透镜的透射波前, 提出了在Zygo干涉仪的平面光路中加入一个二元衍射元件提供参考波前的计算全息法(CGH)。介绍了计算全息法检测长焦透镜透射波前的理论, 设计并研制了高精度计算全息板, 并将其用于大口径长焦距透镜透射波前检测。理论分析和实际检测结果表明: 该方法系统误差小, 测量重复性精度优于0.004 λ(2σ RMS), 与常规的菲索干涉法测量球面透镜透射波前得到的结果一致, 从而验证了提出测量方法的可靠性。最后, 详细分析了二元衍射元件的制造误差对透射波前检测的影响, 得到测量误差(PV)小于λ/10。文中的结果表明提出的计算全息法可有效缩短光路, 提高测量精度, 对长焦透镜波前检测有重要的应用价值。

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。

为了快速准确测量磷酸二氢钾(KDP)晶体坯片的体缺陷, 提出了高速激光聚焦线扫描散射成像方法, 并建立了相应的测量系统。研究了该系统的测量原理和图像采集、图像处理和体缺陷信息提取方法。基于激光散射技术, 结合高速运动装置对晶体坯片内部进行三维扫描, 用线阵CCD探测器接收气泡、包裹物等体缺陷产生的散射光。然后利用折射率匹配液消除粗糙表面带来的不利影响。最后结合数字图像处理技术, 对采集的图像进行实时处理。通过去除背景后与设定阈值比较得到具有体缺陷特征的图像, 再对其进行二值化处理, 提取得到体缺陷的位置和尺寸信息。利用该检测装置对KDP晶体坯片体缺陷进行了测量, 结果显示其检测分辨率优于40 μm, 能够为晶体坯片的精确切割和最大程度的利用提供依据, 从而节省了大量成本。

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。

为提高光学干涉测量的精度, 研究了用来消除干涉条纹图噪声的滤波算法。讨论了不同波面和不同干涉仪噪声下不同滤波方法的滤波效果。考虑干涉仪噪声对条纹图的影响与检测中的不同波面情况, 基于泽尼克多项式原理用matlab仿真法建立了离焦、像散、彗差、球差4种不同的干涉条纹图, 计算了滤波后不同波面面形的PV值和GRMS值差别的大小。结果表明: 同种噪声与滤波器情况下, 在离焦、像散、彗差、球差4种面型中, 滤波后球差波面的PV差值最大, 高达0.11λ, 与在乘性噪声下其它波面的最高PV值0.08λ相比, 滤波效果较差; 滤波后像散波面的PV差值最小, 除乘性噪声中值滤波情况外, PV差值均在0.05λ以下, 最低达0.01λ, 滤波效果较好。此外, 彗差波面滤波情况要略优于离焦波面。滤波器中, 低通滤波稳定性高, PV差值局限于0.01λ~0.04λ, 滤波效果相对好; 而空域滤波后波面的PV差值最高达0.09λ, 但噪声针对性更好。

考虑惯性约束聚变系统中的磷酸二氢钾/磷酸二氘钾(KDP＼DKDP)的吸收系数直接影响系统的转换效率及最终输出能量, 本文研究了KDP＼DKDP倍频晶体吸收系数的测量方法。提出了新的基于朗伯定律的倍频晶体吸收系数斜入射测量法。建立了斜入射状态下入射光偏振态与晶体o光和e光的关系模型, 推导了小角度入射下晶体e光折射率的迭代计算方法。采用该方法计算了晶体的e光折射率, 通过测量得到的数据间接计算出了KDP＼DKDP倍频晶体吸收系数。详细分析了该方法在测量过程中的各项误差来源, 得出该方法测量误差优于0.000 2 cm-1。最后, 对一块40 mm×40 mm×60 mm的开关晶体元件进行测试并与分光光度法比对以验证提出方法的可行性, 结果显示两种测量方法的偏差小于0.000 2 cm-1, 表明该方法可用于惯性约束聚变系统中倍频晶体吸收系数的测量。

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。

为了实现大口径平面光学元件的高精度加工, 开展了磁流变加工技术的研究。介绍了磁流变加工原理及去除函数的数学模型。根据磁流变加工的特点, 建立了元件整体加工的工艺流程, 给出了元件加工的工艺要素。然后, 开发了抛光斑的提取软件, 并基于轨迹段划分的速度模式开发了工艺软件, 分析了工艺软件的各项功能模块。最后, 基于元件加工的工艺流程, 对一件800 mm×400 mm的元件进行了加工实验。利用检测设备测得了元件的低、中、高频的加工指标, 其低频反射波前PV值为34 nm, 中频波前功率谱密度(PSD1)值为1.7 nm, 高频粗糙度Rq值为0.27 nm。实验显示了较好的实验结果, 验证了利用磁流变加工技术实现了大口径光学元件的高精度加工的可行性。本文还阐述了磁流变加工技术在高功率激光元件中应用的优点。

考虑去除函数对数控小工具抛光光学元件精度的影响, 提出了如何根据需要加工的非球面参数以及抛光盘参数得到最优去除函数的方法。由于计算非球面上去除函数的核心是准确获得抛光盘与镜面间的动态压力分布, 本文提出利用有限元法仿真抛光盘与非球面间的压力分布, 并结合经典 Preston 方程与行星运动模型来得到非球面不同位置处的去除函数。 基于随动压力分布模型, 分析了沥青盘抛光非球面时在不同抛光位置处去除函数的变化。在曲率半径为1 000 mm的球面上进行了去除函数验证实验。结果表明: 基于本文理论得到的去除函线型更接近实际情况, 皮尔逊系数达到了 0.977。本文提出的方法可以方便地调整加工位置来得到相应的压力分布, 实现去除函数的优化, 对提高加工效率与精度有实际指导意义。

介绍了Ф420 mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化, 通过分工序加工方式, 依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时, 考虑透镜的凹面为球面, 利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测, 剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后, 透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS; 针对透镜的凸面为高次非球面, 采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测, 其精度达到0.013λ-RMS。最后, 采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测, 得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明, 非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.

为了利用磁流变加工实现对大口径平面光学元件波前中频误差的控制, 研究了磁流变抛光去除函数的频谱误差校正能力和磁流变加工残余误差抑制方法。首先, 比较了模拟加工前后元件中频功率谱密度(PSD1)误差和元件PSD曲线的变化, 分析了磁流变去除函数的可修正频谱误差范围。然后, 利用均匀去除方法分析了加工深度、加工轨迹间距和去除函数尺寸等磁流变加工参数对中频PSD2误差的影响, 提出了抑制中频PSD2误差的方法。最后, 对一块400 mm×400 mm口径平面元件的频谱误差进行了磁流变加工控制实验。实验显示: 3次迭代加工后, 该元件的波前PV由加工前的0.6 λ收敛至0.1 λ, 中频PSD1误差由5.57 nm收敛至1.36 nm, PSD2由0.95 nm变化至0.88 nm。结果表明: 通过优化磁流变加工参数并合理选择加工策略, 可实现磁流变加工对大口径平面光学元件中频误差的收敛控制。