中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川绵阳621900
全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一，其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素，建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型，揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律；提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法，建立基于小工具的子口径修正方法，实现了抛光盘形状误差的在位定量修正；提出抛光盘表面钝化状态的监测方法，研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明：抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征，采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑；通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差，可显著提升元件的面形精度；随着抛光盘表面的逐渐钝化，元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100 mm平面元件的面形PV值优于λ/6（λ=632.8 nm），提升了元件的面形控制效率和精度。
光学加工 全口径环形抛光 面形误差 影响规律 控制方法 optical fabrication full-aperture continuous polishing surface figure influencing principle control method
中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
用于惯性约束聚变的高功率固体激光装置需使用上万件大口径光学元件，激光装置极端的设计性能对光学元件提出了全空间频段（空间频率范围为μm-1级至 m-1级）精度指标和高抗激光损伤的制造要求，形成确定性、高性能的强激光光学元件制造能力是制造激光装置的基础。总结了近年来大口径高功率激光光学元件超精密制造技术及装备方面的研究进展，重点介绍了超精密磨削成形技术、保形快速抛光技术、确定性抛光技术、晶体超精密切削技术及低缺陷制造技术，并分析了高功率激光光学元件制造的未来发展趋势。
测量 先进光学制造 高功率激光 超精密制造 光学学报
2022, 42(17): 1712004
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
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。
高功率固体激光装置 大口径光学元件 光学超精密制造技术 确定性抛光 high-power laser facility large-aperture optics optical ultra-precision manufacturing technology deter-ministic polishing
1 哈尔滨工业大学, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
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。
平面光学元件 磁流变加工 抛光 面形精度 高功率激光器 plane optical element magnetorheological processing polishing surface flatness high power laser 光学 精密工程
2016, 24(12): 3054
针对高平均功率固体激光器对Nd:YAG晶体板条的技术需求,进行了Nd:YAG晶体板条低透射波前误差加工技术研究.详细分析了光学加工过程中引起板条端面透射波前畸变的误差来源,并提出工艺技术解决方案.实验结果表明,在板条抛光阶段通过采用合成盘硬抛光工艺以及新的工件装夹技术,能够解决传统板条加工工艺在面形及楔角精度方面可控性差的问题,更容易实现Nd:YAG晶体板条的低透射波前误差加工.对于150 mm×30 mm×2.5 mm规格的Nd:YAG晶体板条元件,端面透射波前畸变PV值达到0.74λ.
Nd:YAG晶体 板条 透射波前 光学加工 抛光 Nd:YAG crystal slab transmitted wavefront optical processing polishing 强激光与粒子束
2015, 27(6): 062010
1 哈尔滨工业大学 机电学院, 哈尔滨 150001
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
针对高功率激光器中使用的激光晶体关键元件，开展了晶体的先进加工技术的研究。根据LBO及YCOB晶体材料的加工特性，选取了定向切割、研磨、预抛光、磁流变抛光、合成盘抛光和机械化学抛光的总体技术路线。对不同种类晶体加工设计了不同的工艺路线，开展了相关加工工艺研究。 其中LBO晶体的面形收敛工艺主要采用磁流变抛光，YCOB晶体的面形工艺主要采用合成盘抛光。通过组合加工工艺，获得了高质量的晶体加工指标，LBO晶体透射波前0.12λ(λ=632.8 nm)，粗糙度0.77 nm; YCOB晶体面形0.11λ，粗糙度0.68 nm。确定了晶体元件的整体加工技术路线，并对整个工艺流程开展了工艺实验研究,取得了较好的实验效果，实现了激光晶体的高质量加工指标。
激光晶体 加工技术 面形 粗糙度 laser crystals manufacturing process figure roughness 强激光与粒子束
2014, 26(7): 072010
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 常州西南交通大学 轨道交通研究院, 江苏 常州 213100
针对高功率板条激光器核心工作器件--板条Nd: YAG晶体的超精密加工开展研究，分析了具有特殊构型的板条Nd: YAG晶体元件的加工性能及工艺难点，提出了一种新的基于合成盘抛光的板条Nd: YAG晶体加工工艺，并对规格为100 mm×30 mm×3 mm 的板条Nd: YAG晶体进行了加工实验。实验结果表明，合成盘抛光可以很好地控制元件的塌边现象；通过磨料的优化选择，在合成盘抛光工艺中匹配合适粒度的Al2O3磨料能够实现元件的低缺陷加工，元件下盘后的全反射面平面度达0.217 λ(1 λ=632.8 nm)，端面平面度达到0.06 λ，表面粗糙度达0.55 nm(RMS)，端面楔角精度可达2″。
板条激光器 Nd: YAG晶体 抛光 合成盘 面形 粗糙度 slab laser Nd: YAG crystal polishing composite lap surface figure surface roughness 强激光与粒子束
2014, 26(1): 012007
光学元件的中高频误差一般采用功率谱密度(PSD)表示，其划分为PSD1和PSD2两个频段。针对目前国内外研究较少的PSD2频段误差，分析和实验研究了其潜在的影响因素。采用沥青和聚氨酯盘抛光熔石英元件的实验结果显示: 小工具数控相比传统全口径抛光并未增大PSD2误差，而抛光盘材质对PSD2误差具有决定性的影响。沥青盘在抑制PSD2误差方向具有较好的优越性，工件表面的PSD2指标能够满足要求，而聚氨酯抛光元件表面的PSD2误差则较高。针对这一问题，提出采用固结金刚石丸片修整聚氨酯垫，通过细化金刚石颗粒获得了合格的PSD2指标。
PSD2误差 小工具数控抛光 全口径抛光 沥青盘 聚氨酯垫 金刚石修整 PSD2 error computer controlled small-tool polishing full-aperture polishing pitch lap polyurethane pad diamond dressing 强激光与粒子束
2013, 25(12): 3325
针对高功率激光装置所需的大口径光学元件，进行了小工具数控抛光中频误差控制工艺研究。对数控加工过程中卷积效应对中频误差的影响进行分析，并建立了残余误差分析模型，对卷积效应所引入的残余误差进行定量分析。利用该模型对中频误差修正工艺参数进行了仿真分析，并进行了修正工艺参数实验验证，确定了全面匀滑最优化参数。在最优化工艺参数的基础上，针对大口径光学元件开展了数控抛光中频误差控制工艺实验验证，使400 mm口径平面窗口元件加工精度达到透射波前PV值为0.27λ，透射波前PSD1 RMS值为1.67 nm。该实验结果表明，通过400 mm口径平面窗口元件的中频PSD1控制技术研究，使窗口元件能够达到高功率激光装置对中频PSD1的指标要求。
光学元件 中频误差 去除函数 残余误差 optical components mid-spatial frequency error removal-function residual error 强激光与粒子束
2013, 25(12): 3287
为解决强激光系统中大口径光学元件抛光面形精度收敛困难的问题,提出了一种基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术。利用独特的抛光垫修整技术, 将抛光垫表面修整成特定形状, 使工件与抛光垫的接触面产生不均匀的压力分布, 并结合精确的抛光转速控制, 以加快工件面形精度的收敛速度。实验结果表明, 将抛光垫修整成微凸面形,可以有效避免抛光中元件过早塌边问题, 能将大口径平面元件的初抛时间从数天缩短到6 h以内, 元件面形精度提高到1个波长左右。
光学元件 抛光 面形精度 压力分布 抛光垫 optical components polishing surface precision pressure distribution polishing pad
