高功率激光光学元件超精密制造技术 
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1 引言
用于惯性约束聚变（ICF）的高功率固体激光装置是当今世界最大、最复杂的精密光学系统。数百束激光链路将半米口径的激光束按设计的编组方式精确聚焦到直径为百微米量级的微靶上，纳秒脉冲兆焦耳激光的注入将创造出超过107 atm（1 atm=101.325 kPa）和上亿度的极端高能量密度物质状态，从而获得受控聚变的科学研究条件。这类巨型的激光装置需使用上万件米级口径的光学元件，包括最大口径接近1 m的磷酸盐钕玻璃放大片和平面反射镜、偏轴或离轴的非球面聚焦透镜，以及大口径非线性晶体等。激光装置的极端使役性能对强激光光学元件提出了接近制造技术极限的苛刻要求，光学制造技术面临如下挑战。
1）全空间频段制造误差纳米级精度控制
为保证激光系统稳定运行在高通量条件下并获得理想的光束聚焦质量，对光学元件提出了全空间频段（空间频率范围为μm-1量级至m-1量级）制造误差的控制要求，包括与光束可聚焦能力相关的低频段波前梯度、与非线性损伤和光束传输质量相关的中频段波前功率谱密度、与激光损伤相关的高频段表面粗糙度等。全空间频段指标实现nm级精确控制是光学制造技术面临的严峻挑战。
2）高抗激光损伤的低缺陷制造
光学元件的抗激光损伤能力是影响高功率激光装置使役性能的决定因素。特别地，在355 nm波长超过8 J/cm2的激光运行通量下，不仅要求紫外光学材料需达到极高的纯度和极低的吸收，而且对制造过程产生的缺陷及痕量污染也提出了严格的控制要求。
3）高精度光学元件的批量制造能力
巨型激光装置工程研制内在的周期和成本控制要求，体现为对米级强激光光学元件需形成年产千余件的供货能力，这是对国家光学制造工业基础的挑战，因此必须改变传统光学制造的经验传承模式，提高制造技术的确定性、可控性，减小对加工者经验的依赖性。
美国劳伦斯∙利弗莫尔国家实验室（LLNL）在国家点火装置（NIF）的研制过程中，联合Tinsley、Zygo、Moore和QED等公司，发展了电解液在线修整技术、合成盘抛光、确定性抛光、单点金刚石切削和化学刻蚀等先进光学制造技术，将米级光学元件的制造能力提升了10倍以上，而制造成本下降至1/3以下［1-2］。面向我国惯性约束聚变激光装置的研制需求，国内相关研究单位围绕以“超精密、确定性”为核心的批量制造流程技术开展研究［3］，突破了多项关键工艺技术，并通过工艺牵引，实现了系列超精密光学制造装备的国产化，大幅提升了强激光光学元件的制造技术水平和批量化制造能力。本文将对这些技术的发展进行概括性总结，并对进一步的发展提出建议。
2 超精密磨削成形技术
传统光学加工以铣磨或研磨方式进行表面成形，其成形误差为几十微米至数百微米，加工余量极大。而后续抛光技术的去除效率通常不足1 μm/h，控形分辨率仅为百纳米级，这就使得大口径光学元件呈现加工过程冗长、加工精度收敛性差的特点。提高成形加工的精度和亚表面缺陷控制精度是缩短高精度激光光学元件制造周期的关键所在。在高刚度、超精密机床上，使用金刚石砂轮基于微切削作用的微量去除来达到低表面粗糙度值，通过砂轮的包络复制来实现高精度的成形。这种超精密磨削加工技术可大幅度提高光学元件的成形精度和加工效率，并减少表面及亚表面缺陷。传统的磨削方法由于磨削点固定、易在工件中心出现磨削残留，难以实现非球面元件高精度加工［4］。针对非轴对称非球面光学元件成形加工方法柔性不足和成形精度低的问题，采用
为保证非球面光学元件的成形精度，厦门大学与中国机械科学研究总院海西分院联合研制了三轴联动全液体静压超精密磨削机床，如
图 2. 大口径光学非球面元件超精密磨削机床
Fig. 2. Ultra-precision grinding machine for large aperture aspheric optics
在加工环境（温度和振动等）满足要求的前提下，非球面元件的成形精度主要取决于机床运动精度与砂轮的形状精度，砂轮圆弧面的形状误差将在加工过程中直接复制到工件上，影响非球面加工精度［11］。针对圆弧金刚石砂轮的精密修整，发展了砂轮对滚修整方法（
图 3. 圆弧金刚石砂轮对滚研磨修整［12］。（a）修整原理；（b）修整设备
Fig. 3. Dressing arc diamond wheel by roll abrading[12]. (a) Principle of dressing; (b) dressing equipment
图 4. 金刚石砂轮三维形状误差在位检测和评价［13］。（a）三维形状误差在位检测原理；（b）三维轮廓误差；（c）圆度误差
Fig. 4. In-situ measurement and evaluation of 3D shape error of diamond wheel[13]. (a) Principle of in-situ measurement of 3D shape error; (b) 3D outline error; (c) roundness error
通过非球面面形在位检测和补偿磨削技术，可抑制加工轨迹误差对元件面形精度的影响。将非接触式位移传感器测头安装于超精密磨床主轴上，按同向光栅式轨迹运动对元件面形进行全口径检测［14］。将面形误差进行修正后叠加到非球面理论加工轨迹中，生成离散化补偿加工数控程序，并进行补偿磨削，以进一步减小元件面形误差［5］，如
图 5. 非球面面形在位检测和补偿［5，14］。（a）在位检测轨迹；（b）在位检测实物图；（c）补偿加工原理
Fig. 5. In-situ measurement and compensation of aspheric surface shape[5,14]. (a) Trajectory of in-situ measurement; (b) physical image of in-situ detection; (c) compensation process principle
应用非球面元件超精密磨削机床加工大口径离轴非球面元件，530 mm×530 mm口径离轴非球面元件经一次补偿磨削后，面形误差峰谷（PV）值达到3.38 μm，如
3 保形快速抛光技术
在大口径光学元件超精密成形后，需要在保持成形精度的基础上，快速去除前级产生的亚表面损伤层并减小表面粗糙度，这也是降低强激光元件制造成本、提升加工效能的重要环节。围绕表面缺陷层快速去除以及低频误差高效收敛问题，针对大口径平面、非球面元件的保形快速抛光需求，分别发展了平面快抛技术和气囊抛光技术。
3.1 平面快抛技术
在传统的平面光学元件制造流程中，通常采用古典的单轴机抛光工艺来实现面形的初步收敛和表面粗糙度的改善，由于缺乏定量化的工艺控制手段，工序精度和生产效率较低。为实现大口径平面光学元件磨削亚表面破坏层的快速去除，美国LLNL、Zygo等提出采用合成盘抛光技术进行元件初抛光的方法，但并未解决元件材料高去除效率与面形精度控制之间的矛盾［15-16］。美国LLNL进一步提出了“收敛抛光”，期望同步实现平面抛光的高效率与高面形精度，并于2017年研制了用于大口径平面元件快速收敛抛光的CISR2型工程样机，265 mm×265 mm口径熔石英元件材料的加工效率达到4 μm/h，元件面形误差PV值为λ/2（λ=632.8 nm）［17-18］。
为了同时提高平面元件的加工效率及面形精度，提出了平面快抛技术方案，该方案基于超精密机械精度传递和化学机械抛光材料去除原理，建立了全口径确定性快抛工艺系统，采用形状精度可控、具有良好耐磨性及保形性的聚氨酯抛光盘替代传统的沥青抛光盘，抛光工艺参数采用数字化控制，从而实现大口径平面光学元件的高效、高精度抛光。该方案的工作原理如
图 7. 平面快速抛光原理图与实物图。（a）原理图；（b）实物图
Fig. 7. Schematic figure and physical picture of plane rapid polishing. (a) Principle diagram; (b) physical picture
针对硬脆玻璃材料抛光效率提升问题，采用超精密气浮回转轴系、高稳定性花岗岩床身、高分辨率进给轴系，抑制快速抛光过程中轴向跳动、温度波动、倾覆力矩等扰动误差，保证了全口径快抛精度传递机制的有效性及稳定性。通过大偏心距、高转速/摆速及大负载浮动加压装置，大幅提高了抛光过程中的相对线速度及压力，熔石英材料的最高去除效率由4 μm/h提高到12 μm/h［19］。围绕平面快抛面形精度保形控制要求，建立平面快速抛光元件非均匀材料去除模型，发现了抛光盘等效轮廓与元件面形之间的线性相关规律。采用基于超精密铣削原理的抛光盘轨迹包络式修整方法［20］，对抛光盘表面形貌进行高精度快速修整，实现精度传递基准的长期保持性。
应用平面快抛机床加工610 mm×440 mm的反射镜，经过约3 h抛光后，表面粗糙度均方根（RMS）值降低到0.5 nm以下，面形误差PV值可降低至λ/4以下，如
图 8. 平面快抛加工结果。（a）表面粗糙度（RMS为0.42 nm）；（b）最优面形精度（PV为0.24λ）
Fig. 8. Plane rapid polishing results. (a) Surface roughness (RMS is 0.42 nm); (b) optimal profile accuracy (PV is 0.24λ)
3.2 半柔性气囊保形抛光技术
经过超精密磨削成形后，非球面光学元件面形精度达到微米量级，表面粗糙度约几十纳米，缺陷深度约数微米，因此需在保持非球面成形精度的基础上实现光学表面的高效创成。传统研抛方式去除效率低，且很难保证工具与元件曲率的贴合，导致磨削缺陷难以去除，易造成形状精度恶化。在大口径非球面制造流程中，快速抛光手段的缺失严重制约了非球面光学元件制造效能，等离子体抛光［21］、复合柔性工具抛光［22］等技术被用于实现非球面快速抛光。针对强激光非球面光学元件快速抛光，中国工程物理研究院激光聚变研究中心与厦门大学以“高去除率、高保形性”为目标发展了半柔性气囊保形抛光技术［23］。基于进动抛光原理，研制了七轴五联动数控气囊抛光机床，通过调节气囊刚度、充气压力及工具转速等参量实现材料去除效率的大幅提升，结合多步进动控制算法可获得近高斯型叠加去除特性，从而实现非球面高效保形抛亮及大尺度误差的快速修正。
图 9. 离轴非球面镜气囊抛光实物图与原理图。（a）实物图；（b）原理图
Fig. 9. Bonnet polishing picture and principle for off-axis aspheric lens. (a) Bonnet polishing picture; (b) principle diagram
针对传统柔性工具材料去除率低的问题，采用金属内嵌强化结构，设计研制了系列叠层式半柔性气囊抛光工具［24］，如
图 10. 系列化气囊工具［23］。（a）工具实物；（b）工具结构设计与仿真
Fig. 10. Serialization of bonnet tools[23]. (a) Tool picture; (b) tool structure design and simulation
图 11. 气囊修整实物与数学模型［26］。（a）气囊修整实物；（b）气囊修整数学模型
Fig. 11. Bonnet dressing picture and mathematical model[26]. (a) Bonnet dressing picture; (b) bonnet dressing mathematical model
通过气囊抛光进动控制、轨迹规划、去除函数与面形误差预测、表面磨损与修整处理等关键技术的突破［28-31］，半柔性气囊抛光成功应用于大口径非球面元件的保形快速抛光［32-33］，最高去除效率≥30 mm3/min，数小时内非球面去除深度大于10 μm，并且面形基本保持不变；同时气囊保形抛光还具有快速修形能力，面形误差PV值可快速收敛至0.3λ以下，最优可达0.1λ，如
图 12. 非球面透镜气囊抛光结果。（a）初始面形；（b）保形抛亮面形；（c）快速修抛面形
Fig. 12. Results of aspheric lens by bonnet polishing. (a) Initial surface shape; (b) conformal polishing surface shape; (c) fast correction polishing surface shape
4 确定性抛光技术
应用于精密抛光工序的确定性抛光技术将承担光学元件面形误差收敛达标、表面质量提升（包括表面疵病和表面粗糙度）的功能，是高精度光学元件整个制造流程中最重要的技术环节，此工序的可控性在很大程度上决定了光学元件的制造周期和成本。
4.1 全口径环抛技术
全口径环抛通过大尺寸沥青抛光盘进行平面光学元件加工，如
为了获得运动速度的分布均匀性及其对面形误差的影响规律，采用运动轨迹有效弧长来分析运动速度和材料去除均匀性［39］，如
图 14. 全口径环形抛光的运动学模型。（a）运动参量；（b）轨迹弧长
Fig. 14. Kinematics model of full-aperture continuous polishing process. (a) Kinematics; (b) sliding distance
采用激光位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面，测量抛光盘表面的三维形状，如
图 15. 抛光盘形状误差的检测方法和检测结果。（a）检测方法；（b）检测结果
Fig. 15. Method and result of measuring the lap shape error. (a) Measuring method; (b) measuring result
图 16. 不同工作时间的沥青盘面钝化状态图像及特征值变化曲线
Fig. 16. Passivation state images and characteristic value change curve of pitch plate for different working time
上海中晶企业发展有限公司完成了Ф5 m全口径确定性环形抛光机床研制，如
图 17. Ф5 m全口径确定性环形抛光机床以及元件加工结果。（a）机床照片；（b）元件面形结果
Fig. 17. Ф5 m full aperture deterministic continuous polisher and workpiece surface figure results. (a) Polisher photograph;(b) workpiece surface figure
4.2 高稳定性去除控制技术
基于线性抛光理论的子口径抛光技术，以定量检测数据为输入，使得抛光过程具备定量化品质，从而大大提高了高精度元件的加工效率和加工质量。针对米级光学元件全空间频段纳米级制造误差的控制要求，子口径抛光技术的研究焦点是研制高稳定性抛光工具：一方面要求抛光工具的去除特性要达到亚纳米的控形分辨能力，另一方面抛光工具要具备多尺度控形能力。
磁流变抛光通过磁场改变抛光液的流变特性，以之为抛光工具对光学元件表面误差进行修正［48］。该技术既具有固着磨粒加工高效的优点，又保留了散粒磨料抛光光滑的优势。针对去除函数稳定性控制的问题，建立耦合抛光液流变响应特性的高置信梯度漏磁场仿真模型，获得了以“励磁线包、磁路结构、工作气隙”等参数优化匹配的高稳定磁场控制方法，研制了一体化随动式磁流变液循环系统［49］（
图 18. 磁流变单元技术及结果。（a）一体化随动式循环系统；（b）磁流变液流量稳定控制；（c）模块化系列抛光头（直径为20~400 mm）；（d）磁流变宽范围加工能力
Fig. 18. Magnetorheological cell technology and results. (a) Integrated follow-up circulating system; (b) stable flow control of magnetorheological fluid; (c) modular series polishing head (diameter is 20-400 mm); (d) wide range magnetorheological processing capability
应用中国工程物理研究院机械制造工艺研究所研发的磁流变抛光机床，实现了大口径类自由曲面元件的高精度加工，加工430 mm×430 mm 的连续相位板元件，其相位设计指标为：PV为2.1λ，RMS为212 nm，最小空间周期为5 mm，加工后残差仅为12 nm（RMS），如
图 19. 磁流变加工连续相位板。（a）连续相位板设计图；（b）连续相位板加工残差图
Fig. 19. Continuous phase plate processed by magnetorheological method. (a) Designed continuous phase plate; (b) machining residual diagram of continuous phase plate
离子束抛光是一种基于真空环境下粒子物理碰撞原理的加工技术，具备原子级去除能力，其加工原理如
图 20. 离子束抛光机床及精密修形原理。（a）精密修形原理；（b）离子束抛光机床
Fig. 20. Ion beam polishing machine and its processing principle. (a) Principle of precision shaping; (b) ion beam polishing machine
通过
图 21. 自适应步长轨迹段划分算法示意图［54］。（a）等步长法；（b）自适应步长法
Fig. 21. Diagrams of adaptive step trajectory segment partition algorithm[54]. (a) Same step size path segment; (b) adaptive step size path segment
图 22. 离子束加工确定性验证实验。（a）原始面形（PV为0.903λ）；（b）仿真结果（PV为0.360λ）；（c）加工结果（PV为0.364λ）
Fig. 22. Deterministic verification experiment for ion beam polishing. (a) Original surface (PV is 0.903λ); (b) simulation result (PV is 0.360λ); (c) processed result (PV is 0.364λ)
采用离子束抛光机床与技术，实现了光学元件Ф400 mm口径PV 小于λ/100、RMS小于1.0 nm的超高精度加工，如
图 23. 大口径元件离子束加工结果
Fig. 23. Result of ion beam polishing for large aperture optical elements
4.3 子口径抛光中频误差控制技术
应用于强激光系统的光学元件，其中频误差会引起相位非线性增长和近场调制，导致后续元件损伤。采用子口径抛光技术可实现低频误差的确定性快速收敛，其最大挑战在于中频误差的纳米级控制。子口径抛光中频误差主要来源于卷积效应与去除函数波动，其控制技术途径主要有轨迹规划［26，55-57］、小尺寸工具局部修正［58］与半刚性抛光工具匀滑［8，59-60］。
由线性抛光理论可知，卷积效应所引入的中频误差由去除函数、路径方式、路径间距等参数共同决定。通过建立不同类型轨迹残余中频误差定量分析模型［26］，可分析不同类型轨迹加工过程产生的中频误差，如
图 24. 不同路径方式模拟加工后的残余波纹［26］。（a）光栅路径（RMS为18.134 nm）；（b）同心圆（RMS为18.378 nm）；（c）随机路径（RMS为50.152 nm）
Fig. 24. Contours of residual ripples obtained by three paths[26]. (a) Raster path (RMS is 18.134 nm); (b) circle path (RMS is 18.378 nm); (c) random path (RMS is 50.152 nm)
在合理规划加工轨迹的基础上，抛光工具去除函数的不稳定是导致元件中频误差产生的最重要因素。基于故障模式影响及危害度分析方法，建立了沥青抛光工具去除函数稳定性的控制方法，将去除速率波动由大于60%降低至小于14%［8］［
图 25. 中频误差控制工艺。（a）去除函数稳定性控制［8］；（b）匀滑修正中高频误差［61］
Fig. 25. Control technology for middle frequency error. (a) Removal function stability control[8]; (b) smoothing correction for middle and high frequency errors[61]
采用子口径抛光中频误差控制技术加工430 mm×430 mm非球面光学元件，低频误差PV达到49 nm，中频PSD1误差RMS值为1.67 nm，表面粗糙度RMS值为0.25 nm，如
图 26. 非球面匀滑结果。（a）430 mm×430 mm非球面元件；（b）中频误差PSD1（RMS为1.67 nm）
Fig. 26. Aspheric smoothing results. (a) 430 mm×430 mm aspheric lens; (b) middle frequency error PSD1 (RMS is 1.67 nm)
5 软脆晶体超精密切削技术
磷酸二氢钾（KDP）晶体是目前唯一适用于高功率激光装置的大口径非线性光学晶体，主要用作光学频率转换元件及电光开关器件。ICF激光装置对KDP晶体的加工表面误差提出了严苛的全频段控制指标，如低频误差 PV不大于5λ、中频误差 PSD1不大于5 nm、PSD2不大于1.5 nm、粗糙度RMS不大于1.5 nm。KDP晶体为各向异性软脆材料，具有易潮解、易开裂等不利于加工的物化性能，使用研磨抛光方法加工时极易嵌入抛光粉颗粒，导致元件激光损伤阈值降低［62］。目前单点金刚石超精密飞切是 KDP 晶体最理想的加工方法，其加工原理及加工机床如
图 27. 单点金刚石飞切加工原理及飞切加工机床
Fig. 27. Schematic diagram of single point diamond fly-cutting process and fly-cutting equipment
由于单点金刚石飞切加工为断续冲击切削，机床的动态响应会刚性复印至加工表面形成中高频波纹误差，其影响机制不明确是制约KDP晶体加工表面精度提升的关键问题。通过建立如
图 28. 飞切机床动态性能监测平台及仿真模型
Fig. 28. Monitoring platform and simulation model of dynamic performace of fly-cutting machine
围绕KDP晶体纳米级光滑表面高效创成问题，基于弹塑性力学及断裂力学基本理论建立了各向异性软脆晶体本构模型，并通过纳米压/划痕实验结合有限元仿真的方法确定了模型参数［67-68］。进一步建立KDP晶体切削加工过程的有限元仿真模型，获得脆-塑转变深度随切削方向的变化规律，确定了最优的切削方向［如（001）晶面内的45°方向］及对应的脆-塑转变深度（约150 nm），如
图 29. KDP晶体脆-塑转变（BDT）仿真结果［67］。（a）切削区域应力分布；（b）脆-塑转变随切削方向的变化
Fig. 29. Simulation results of BDT of KDP crystal[67]. (a) Stress state in cutting zone; (b) variation of BDT with cutting direction
使用超精密飞切机床加工430 mm×430 mm KDP晶体元件，低频误差PV值达到2.1λ，中频PSD1误差RMS值为3.14 nm，PSD2误差RMS值为0.68 nm，表面粗糙度RMS值为0.61 nm，如
图 30. KDP晶体飞切加工表面检测结果。（a）低频误差（PV为2.1λ）；（b）中频PSD1（RMS为3.14 nm）；（c）中频PSD2（RMS为0.68 nm）；（d）粗糙度（RMS为0.61 nm）
Fig. 30. Measurement results of KDP surface for fly-cutting. (a) Low frequency error (PV is 2.1λ); (b) middle frequency PSD1 (RMS is 3.14 nm); (c) middle frequency PSD2 (RMS is 0.68 nm); (d) roughness (RMS is 0.61 nm)
6 低缺陷制造技术
6.1 熔石英低缺陷控制技术
光学元件加工后通常会在元件表面残留深度约为数十纳米到数微米的缺陷层，这些缺陷是诱发元件激光损伤的主要因素，严重制约了强激光系统高通量稳定运行。熔石英元件加工过程中引入的缺陷主要包括物理结构缺陷（如表面/亚表面划痕、裂纹、坑点、电子缺陷）及化学异质缺陷（如抛光粉残留的Ce、Fe等金属元素，以及各类有机污染）。美国LLNL在NIF装置光学元件制造流程中采用了电解在线砂轮修整（ELID）技术、磁流变抛光技术、刻蚀技术和紫外激光处理技术，元件损伤密度下降了4个数量级［71］。近年来，为了进一步增强熔石英光学元件的抗激光损伤能力，美国LLNL开发了基于氢氟酸湿法刻蚀的AMP（Advanced Mitigation Processing）技术，通过在刻蚀过程中对痕量化学沉积物和微纳尺度污染物进行控制，装置运行的激光通量得以大幅提升［72-74］。针对我国强激光装置高通量多发次稳定运行需求，近年来重点开展了“缺陷全流程定量控制”和“缺陷化学后处理”研究：通过改进磨削及抛光工艺，实现亚表面缺陷密度逐级控制；通过优化清洗刻蚀技术实现化学异质缺陷去除，并钝化残余微量结构缺陷，进而提升熔石英光学元件损伤性能。
1）缺陷全流程定量控制
在超精密磨削过程中，金刚石磨粒对光学元件表面进行刚性划擦切削，光学材料主要以脆性断裂方式去除，因此元件亚表层会残留大量的裂纹缺陷。针对金刚石砂轮边缘和表面局部损伤产生加工应力集中导致缺陷的问题，采用复合截面轮廓砂轮研磨修形与弹性修锐技术［75］，有效地抑制了砂轮边缘位置的接触应力，结合磨削液精细循环处理技术［76］，显著减少了元件表面规律性分布的虚线缺陷及偶发深砂眼缺陷，如
图 31. 两种典型的磨削缺陷。（a）规律性分布的虚线缺陷；（b）偶发深砂眼缺陷
Fig. 31. Two typical grinding defects. (a) Regularly distributed dotted line defects; (b) occasional deep pit defect
为实现磨削亚表面缺陷深度稳定性控制，研究了硬脆光学材料加工砂轮磨损失效机制，提出了基于磨损磨粒密度和磨耗面积的砂轮磨损量化表征方法［77］，揭示了元件磨削亚表面缺陷深度、特征物理信号（声发射、磨削力、主轴功率负载等）随砂轮磨损的演化规律［78］，建立了基于特征物理信号实时监测和以亚表面缺陷深度为评判依据的砂轮磨损状态的在线评价方法［79］。通过上述工艺技术，使用国产超精密磨削机床加工430 mm×430 mm口径熔石英元件，亚表面缺陷深度在7 μm以内，最优达到3 μm［8］，如
抛光表面/亚表面质量主要取决于抛光界面的相互作用，熔石英抛光过程中的材料去除是水解反应、机械去除和塑性流动共同作用的结果［80］。抛光产生的亚表面缺陷主要与参与去除的磨料粒度分布有关，当抛光液中存在粗大颗粒时，如
图 33. 氧化铈抛光颗粒形貌及其粒度分布图。（a）颗粒形貌图；（b）粒度分布图
Fig. 33. Morphology and particle size distribution of ceria polishing particles. (a) Particle morphology; (b) particle size distribution diagram
为提高抛光过程中的磨料均匀性，建立了“物理去除+化学分散”的磨料质量综合控制方法。根据流体动力学仿真结果优化抛光液多级微滤装置结构，有效地去除了抛光液中的大颗粒杂质。基于静电分散机制优化了抛光液组分，增大微纳米抛光颗粒间的静电斥力，防止产生团聚“尾部”大颗粒，提高了抛光液的分散性及悬浮稳定性。基于上述技术，近年来大口径熔石英光学元件的表面/亚表面缺陷密度水平持续降低［19］，实现元件抛光阶段表面近无缺陷、亚表面缺陷密度小于0.06 cm-2，部分元件缺陷密度优于0.03 cm-2。
2）缺陷化学后处理
由于现有各类抛光技术仍不能实现绝对零缺陷加工，因此需在抛光之后采用化学后处理工艺去除表面残留污染物，缓解残余亚表面缺陷对激光损伤阈值的不利影响。实验发现采用氢氟酸（HF）、缓冲刻蚀剂（BOE）、硝酸（HNO3）等溶液对石英玻璃进行处理，均可使样品表面的金属元素含量大幅降低，检测结果如
图 34. 不同方法处理后的熔石英表面金属元素含量［82］。（a）采用HF/BOE刻蚀后的铈元素含量；（b）采用HNO3刻蚀后的金属元素含量
Fig. 34. Content of metallic elements on surface of fused silica treated by different methods[82]. (a) Ce content after HF/BOE etching; (b) metallic element content after HNO3 etching
图 35. 化学刻蚀深度对熔石英元件的表面粗糙度和激光损伤阈值的影响［83］。（a）表面粗糙度；（b）激光损伤阈值
Fig. 35. Effect of chemical etching depth on surface roughness and laser damage threshold of fused silica[83]. (a) Surface roughness;(b) laser damage threshold
6.2 三倍频晶体低缺陷控制技术
三倍频晶体表面缺陷极易成为激光损伤的起始点，使晶体元件在远低于其本征阈值的条件下发生损伤［85］，但导致晶体表面发生低阈值损伤的缺陷类型尚不清楚。针对该问题，基于光学显微、荧光及光热吸收等多种检测技术对晶体表面缺陷进行表征，并通过原位损伤测试技术对不同缺陷的激光损伤性能进行了分析。研究结果表明，三倍频晶体表面的断裂型缺陷（脆性压坑、裂纹）和凸起压点会显著降低元件表面的损伤阈值，而塑性缺陷的损伤阈值相对较高，如
图 36. KDP晶体表面缺陷激光损伤实验结果［88］。（a）缺陷损伤原位测试；（b）缺陷损伤阈值
Fig. 36. Laser-induced damage performance of KDP surface defects[88]. (a) In-situ defect damage test; (b) damage threshold of surface defects
通过缺陷能谱分析、双束扫描电镜分析并结合缺陷形成过程理论模拟，揭示了晶体表面低阈值缺陷的形成机理［89］，发现刀具刃口微观磨损是导致晶体表面形成断裂型缺陷的主要原因，如
图 37. 刀具磨损对晶体表面缺陷的影响。（a）无缺陷刀具及加工表面显微形貌；（b）磨损刀具及加工表面显微形貌
Fig. 37. Influence of tool wear on surface defects of crystal. (a) Defect-free cutting tool and crack-free KDP surface; (b) wear tool and microstructure of machined surface
7 结论
ICF高功率激光装置对激光光学元件提出了接近材料和制造极限的工程供货要求，是先进光学制造技术创新发展的强大驱动。国际发展状况表明，新质光学加工手段、更高性能制造装备和高确定性的工艺控制技术成为此领域的发展方向和研究热点。国内相关研究团队立足制造方法创新，提出超精密制造工艺流程，构建了“装备-检测-工具-工艺”的系统技术链条，以工艺为牵引实现了国产超精密光学制造装备的突破，使得高性能激光光学元件的机械化、确定性制造成为可能，大幅提升了米级强激光光学元件的制造技术水平和批量制造能力，满足了我国惯性约束聚变系列高功率激光装置的研制需求。“确定性”和“低缺陷”是高功率激光光学元件制造的永恒主题，激光装置输出能力和使役性能的不断提升，激光装置的束数不断增大，束间能量或功率平衡对光学元件性能的一致性提出更高的要求。目前，通过以定量检测-补偿加工为特征的数控抛光技术可以实现制造误差的达标性控制，但光学元件制造误差的空间分布差异较大，将影响激光束的聚焦性能及激光-等离子体不稳定性。在整个制造流程中，如何对制造误差的演化规律（特别是与聚焦性能相关的空间分布特性）获得确定性的认知并建立高精度的控形制造能力，将成为下一步的研究重点。紫外光学元件的激光损伤是巨型激光装置的能力瓶颈，通过降低吸收性缺陷密度和化学刻蚀表面处理的技术途径并未从根本上解决材料本底与制造表面损伤性能巨大差异的问题。抗激光损伤能力的严峻挑战将驱使“近零缺陷”光学制造技术持续发展，制造缺陷诱导激光损伤机理、光学元件制造缺陷的多模态检测与表征、新质光学制造技术手段等方面有待创新性突破，以获得近材料本底的低缺陷制造性能。
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