残余应力是光学元件的一个重要性能参数, 对光学元件的制造和使用意义重大。光学元件残余应力的无损检测方法可粗略概括为两大类: 一类是基于应变的测量方法, 包括 X射线衍射法、 Stoney曲率法和显微拉曼光谱法, 这些方法基于晶体和弹性力学分析方法, 发展成熟、应用广泛; 另一类是基于应力双折射效应的测量方法, 包括数字光弹法、光弹调制器法和偏振光腔衰荡法, 都是对残余应力导致的双折射相位差的测量, 具有更直接的光学关联性、测量精度高的特点。本文归纳了光学元件残余应力测量的几种常见方法的测量原理、测量精度和应用场景, 对比了它们的性能并分析了它们之间的关联性, 以期建立起光学元件残余应力无损检测的宏观印象。

微结构阵列光学元件的加工受到越来越广泛的关注, 单点金刚石飞刀切削技术以高效率低成本且加工精度高的优势, 逐渐应用于微结构的加工。本文主要研究飞刀切削微金字塔结构时, 机床重复定位误差和循环加工引入的误差对微结构切削效果的影响, 分析 V槽切削时次沟槽产生的条件, 研究抑制次沟槽产生方法, 实验验证了可以通过控制切削深度大于最小切削深度来抑制次沟槽的产生。

应力抛光技术通过在镜面上施加预定载荷, 将包括自由曲面在内的非球面转化为球面进行加工, 对加工镜面的形变进行精准检测是实现高精度应力抛光的关键。利用立体相位测量偏折术对预应力薄镜进行镜面面形和形变检测, 获得被测镜表面的连续相位分布, 结合表面法线唯一性与梯度分布积分, 最终得到被测镜的高度分布和面形。模拟了系统误差成分, 同时采用旋转平均法对系统误差进行标定去除, 保证和提高了测量精度。对一块口径 320 mm, 球面半径 5200 mm的预应力薄镜面形和变形量进行测量, 静态测量结果与三坐标机测量结果对比, 动态应变测量结果与有限元仿真结果对比, 分别一致吻合, 表明本文方法具备微米级的测量精度, 相比于干涉仪和三坐标机更适用于大面形变化的预应力薄镜检测。

在超大口径原位加工与检测中, 目前多采用被动式 Whiffletree液压支撑系统(原位支撑), 而该类支撑单元的轴向刚度存在较大差异性, 会显著影响轻薄型反射镜的面形精度。为解决这一问题, 研究了主动型原位支撑的支点布局、单元刚度和主动校正力的联合优化方法。首先, 针对支撑单元刚度差异, 提出了支撑刚度、支点位置的分级布局优化方法, 获得了支撑系统的初始优化解; 其次, 结合模式定标法和最小二乘法, 进行了支撑点主动力校正, 以获得支撑面形的最终优化解; 最后, 结合具体案例的数字仿真试验, 验证了方法的有效性。结果表明: 对于 4 m弯月型轻薄反射镜, 仅被动支撑下, 分级布局优化后, 60点方案面形精度 RMS值由 150.6 nm减少到 32.9 nm, 78点方案面形精度 RMS值由 45.2 nm减少到 22.6 nm, 优化效果显著; 进一步经主动校正后, 60点方案和 78点方案面形精度 RMS值分别为 14.6 nm和 6.9 nm, 均满足面形精度 RMS值小于 λ/40(λ=632.8 nm)的指标要求; 最终选取 60点轴向支撑方案。通过对支点布局、支撑刚度和校正力进行联合优化, 可以大幅增加原位支撑系统的适用性、灵活性, 降低实施难度。

复杂光学曲面的在位测量是当前精密工程领域面临的重要难题。偏折术对光学曲面的测量精度可与干涉仪相比, 而且拥有更高的测量效率、稳定性及动态范围, 因此具有广阔的应用前景。但是偏折测量本质上是一个标定问题, 其测量精度直接取决于几何标定的可靠性。本文结合单点金刚石切削机床设计了原位偏折测量系统, 采用机床中自带的气浮转台安装辅助反射镜, 在两个姿态下进行光线追迹, 通过数值优化计算各元件之间的相对位置, 将标定精度提高一个数量级。根据反向投影偏差的统计规律, 可有效分离工件的面形偏差与位姿误差。该方法有效利用了工件的名义面形信息, 将传统的位置 -面形单向映射转变为双向映射, 显著提高了在位测量的灵活性与效率。对于复杂的自由曲面, 采用子孔径拼接测量方法, 对待测的局部区域发展了精准定位技术, 有效保证了迭代重构过程的正确收敛。采用离轴抛物镜等光学曲面进行实验验证, 所提出的偏折测量方法的精度优于 150 nm RMS。

随着空间技术的快速发展, 对大尺寸空间反射镜部件的需求愈发强烈。本文从材料和制备技术角度分析了大尺寸碳化硅反射镜的发展趋势, 并以 Φ1.0 m口径常压烧结碳化硅拼接式技术验证镜研制过程为例, 对拼接式反射镜的分块镜设计制备、连接、光学加工等过程进行了探讨。此外, 结合实际的工程化应用需求, 对 1.0 m口径碳化硅拼接式技术验证镜进行了包括热真空、振动和抗辐照等在内的环境模拟试验。试验结果表明: 通过合理的制备技术, Φ1.0 m口径的碳化硅拼接式技术验证镜光学加工后面形 RMS达到了 0.038λ (λ=632.8 nm), 经历热真空和振动的环境模拟考核后, 其面形 RMS分别为 0.037λ和 0.036λ; 此外, 拼接式反射镜经过 60Co γ射线辐照测试后, 反射率指标基本保持不变, 显示了良好的工程应用前景。

为解决空间反射镜镜体质量和面形精度在轻量化设计过程中会引起相互冲突的问题, 针对某型离轴三反光学系统的长条形主反射镜进行了结构优化设计研究, 提出了一种基于 SiC材料的中心支撑的轻量化结构, 同时引入了多目标集成优化方法, 以镜体质量(Mass)和面形(RMS)同时作为优化目标, 得到一个反射镜最佳结构模型, 其质量为 2.32 kg, 轻量化率达到了 73.8%; 然后, 对反射镜支撑结构进行了结构设计和说明, 并对该组件进行了仿真分析, 在 X、 Y、Z三轴方向 1 g重力工况下的 RMS值分别达到 2.5 nm、2.2 nm、7.3 nm, 4 ℃均匀温升载荷工况下的 RMS值为3.2 nm, 远小于设计要求的 RMS≤λ/50(λ=632.8 nm), 满足设计要求。

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。

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。

本文总结了当前同步辐射 X射线反射镜光学制造技术的需求背景、发展现状以及未来方向。同步辐射光源是国家重大科学装置, 作为同步辐射光源重要光学元件的 X射线反射镜, 直接决定着光学调制品质。短波长掠入射的特殊应用场景, 使 X射线反射镜有着更为特殊且高精度的面形要求, 其加工与检测技术长期为国外所垄断, 国内发展较为缓慢, 面对国内未来同步辐射装置的建设需求, 我国亟需打破这一现状。

深紫外、极紫外光刻、先进光源等现代光学工程牵引驱动超精密光学技术持续发展, 超精密光学制造要求与之精度相匹配的超高精度检测技术。作为核心技术指标之一的面形精度通常要求达到纳米、深亚纳米甚至几十皮米量级, 超高精度面形干涉检测技术挑战技术极限, 具有重要研究意义和应用价值。本文分析了面形干涉检测技术发展趋势, 主要介绍了中国科学院光电技术研究所近年来在超高精度面形干涉检测技术相关研究进展。