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
在电子产业、航空航天、医药、汽车、微机电器件等领域，精密微孔是器件、功能部件上的重要结构单元。当前超短脉冲激光精密微孔制备缺乏高稳定、体积小、低成本的旋切加工系统。针对一百到几百微米尺寸的精密微孔加工需求，设计了一种基于扫描振镜的超短脉冲激光旋切制孔光学系统，并对系统的反射像和公差进行了分析。通过采用摄远结构设计和对称设计，大幅缩短了系统镜头总长，设计结果为加工孔径范围100~400 μm，最大加工深径比10∶1。搭建了基于扫描振镜的超短脉冲激光旋切制孔光学系统，对制孔效果进行了实验验证，制孔结果显示，基于扫描振镜的超短脉冲激光旋切制孔光学系统能实现高精度的微孔制备。
超短脉冲激光 旋切制孔 微孔 镜头 摄远结构 公差分析 光学学报
2023, 43(14): 1422003
1 成都精密光学工程研究中心，四川 成都 610041
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
采用蒙特卡罗方法研究了在不同溅射参数和材料模型下，溅射产额、损伤密度分布和纵向能量损伤分布等溅射特征参量对离子束溅射作用效果的影响。通过SRIM-2013软件的粒子跟踪和物理统计结果，分析了离子束初始能量、入射角度、离子种类和材料类型对表面溅射效果和能量沉积的影响规律，研究了表面损伤分布规律与溅射参数和溅射产额的关系。结果表明：85°的束源倾角设置可促进级联粒子密度集中和密度峰值群向表面移动分别达到2.8×108 atom/cm2和310-10 m，平均能量损失减小45.6%，Ar+溅射产额提高4.7倍；声子和电离产生大量的能量损失抑制了溅射产额的提高，两种能量损失占总损失比在0°入射时分别可达69%和30%。
材料 蒙特卡罗方法 离子束 SRIM 溅射产额 损伤分布 能量损失 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0716001
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 成都 610000
大型激光装置要求KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate,KH2PO4)晶体在加工阶段进行高精度定轴,以降低后续装调难度,提升批量装调效率。为此在加工阶段,提出一种在位检测反馈和多次调节逼近的晶轴角度校正策略,从原理上避免了校正精度严重依赖调节工装精度、重复装夹误差大、机床直线度引入误差等问题;并且为提升晶轴角度的校正效率,研制了电动控制的高精度吸盘角度调节工装,解决了校正角度大、精度要求高的难题。验证结果表明:采用研制的高精度吸盘角度调节工装,经过3轮次的迭代,可以将晶轴角度误差从2~4 mrad快速收敛至20 μrad以内,满足大型激光装置的要求。所提策略的校正精度仅取决于测头移动长度和测试精度,且元件口径越大、测量精度越高,校正精度就越高,因此所提策略特别适用于大口径KDP晶体元件的晶轴角度的精密校正。
光学器件 KDP晶体元件 晶轴角度 金刚石切削 在位检测 相位匹配
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
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为实现大口径光学元件波前功率谱密度(PSD)的高精度、低成本检测,提出了一种将干涉与拼接技术结合的检测方法。推导了波前PSD的计算方法,提出了基于相关匹配的子孔径拼接算法,分析了拼接干涉检测的误差来源。对拼接检测算法进行了仿真验证,结果表明,拼接检测的波前畸变峰谷值(dpv)与PSD的均方根值(PRMS)的相对偏差分别为1.2%和0.1%。采用口径为620 mm×450 mm光学元件开展了5次拼接检测实验,比较了拼接检测与全口径直接检测结果,两者分布一致, dpv偏差不大于0.012λ(λ=632.8 nm),PRMS偏差不大于0.03 nm,表明该算法稳定可靠,可实现大口径光学元件波前PSD的拼接检测。
测量 子孔径拼接 相关匹配 功率谱密度 波前测量
1 成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
2 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体表面典型缺陷的形成原因及抑制方法。通过飞切加工及表面染色切削实验证明了成因分析结果的正确性,进一步明确了KDP晶体表面缺陷的形成过程。建立了适用于描述KDP晶体表面缺陷形成过程的理论模型,提出了获得无缺陷晶体表面的工艺条件。对飞切加工参数及刀具结构进行了优化,实验验证了缺陷抑制措施的有效性。研究结果表明,在飞切条件下,KDP晶体(001)晶面的脆塑转变(BDT)深度变化范围为125~268 nm,当沿45°方向切削时BDT深度最大,此时只要保证进给速率小于36.6 μm/r即可避免在晶体表面形成凹坑。通过优化刀具结构,可消除晶体表面的凸起缺陷,有效抑制KDP晶体的表面缺陷,最终获得了粗糙度小于2 nm的光滑KDP晶体表面。
材料 金刚石加工 表面质量 缺陷抑制 磷酸二氢钾(KDP)晶体 飞切 光学学报
2018, 38(11): 1116001
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
2 Research Center of Laser Fusion, CAEP, Mianyang 621900, China
There exist some shallow scratch defects on the super-smooth optical surface. Their detection has a low efficiency with the existing technologies. So a new detection method, dark-field detection of adaptive smoothing and morphological differencing (DFD-ASMD), is proposed. On one hand, the information of shallow scratches can be kept in dark-field images. On the other hand, their weak characteristics can be separated and protected from being overly reduced during the elimination of noise and background in the image. Experiments show the detection rate of shallow scratches is around 82%, and DFD-ASMD can lay a foundation for quality control of defects on the high-quality optical surface.
120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology 120.4630 Optical inspection 150.1835 Defect understanding Chinese Optics Letters
2017, 15(8): 081202
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
实验研究了不同激光预处理参数对于纳秒激光多脉冲作用下HfO2/SiO2反射膜损伤形态转化的影响。通过对比两类损伤扩张性和对薄膜功能性破坏机制, 提出激光预处理技术的重要意义在于抑制损伤形态转化过程。通过薄膜损伤形态分析揭示了激光预处理作用机制为节瘤缺陷的去除和亚表面吸收前驱体的形成两方面的综合作用。实验结果表明: 预处理后薄膜损伤形态转化特征曲线向更高通量和更多发次方向平移。针对现有工艺下的薄膜, 采用高通量、两台阶的预处理参数组合能够获得兼顾效率的最佳收益, 其零几率损伤形态转化阈值最高可以提升140%。
激光预处理 反射膜 损伤形态 laser conditioning reflective film damage morphology 红外与激光工程
2017, 46(6): 0606003
