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。

为了提取高精度磨削干涉中的声发射信号特征, 实现砂轮磨削性能退化评估, 针对熔石英开展全寿命周期金刚石砂轮磨削实验, 基于小波包分析确定砂轮磨损敏感频段为低频段, 然后计算声发射信号在低频段的归一化能量占比, 再利用主成分分析对能量占比进行特征降维获得单值特征, 利用该单值特征绘制砂轮磨削性能退化曲线。研究结果表明, 监测特征能够清晰反映砂轮初期磨损、正常磨损和过度磨损三个阶段, 且监测结果不受加工参数影响; 砂轮磨削材料破裂尺度与声发射频率具有一定关系, 伴随砂轮磨损的加剧, 较大尺度破裂的比例上升, 造成65 kHz以下低频段特征的能量占比增大, 监测特征显著增加, 磨粒崩碎产生新的切削刃, 砂轮的去除能力有所改善, 监测特征数值回落, 但是, 不同样本的声发信号频谱差异性显著增加, 说明砂轮加工状态不稳定, 不利于精密与超精密加工中维持稳定质量的要求。砂轮形貌图像的白像素占比变化曲线验证了声发射特征对砂轮磨损状态判断的正确性。

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求, 提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光, 实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术, 在低频误差不被恶化的情况下, 控制元件中高频误差。在抛光过程中, 利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm×430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工, 实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1λ, GRMS=5.7 nm/cm, PSD1 RMS=1.76 nm, PSD2 RMS=1 nm, Rq=0.61 nm, 并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明, 离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求，提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型，利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据；对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理，得到砂轮三维几何形貌。然后，根据非球面平行磨削加工特点，提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓，进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标，并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后，对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测，获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据： 即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3 mm，半径波动极差为0.16 mm，中央±8 mm环带内圆弧的圆度误差约为5 μm，圆周跳动误差约为2 μm，截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008 mm。根据检测结果，进行了大口径复杂非球面磨削实验，得到的元件面形P-V值为4.62 μm，RMS值优于0.7 μm，满足工程的实际需求。

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。