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。

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。

针对计算机光学表面成形技术的去除理论中关于材料去除量及去除函数误差修正能力问题，基于等效去除积分法，对高斯型、三角形、梯形、脉冲随机复合型等多种不同形态的去除函数修正能力进行研究，通过频域分析去除函数的误差修正能力，获得调制参数与去除函数修正能力的关联曲线，建立基于等效去除积分法的去除函数截止修正能力评价模型，为去除函数误差修正的调制及去除函数修正能力评价提供依据，从而在大口径光学元件的超高精确度加工中，提高超光滑光学元件表面的质量。

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。

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。

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。

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.

针对光学元件使用过程中中频误差将导致光学元件的激光破坏这一问题,提出一种中频误差突出频率提取方法.采用基于统计学的多样本数据处理,对于每一种采样方向都可以得到数个较为突出的不合格频率.利用这些频率进行确定性加工后,在特定方向,空间频率0.044 1 mm-1,0.085 8 mm-1,0.041 7 mm-1所出现的不合格次数分别降至加工前的23.9%,18.3%,29.2%,而整体中频误差减少至50.1%.结果表明,此方法降低了由光学表面中频误差方向性与局部性引起的不确定性.

根据工件与抛光盘的相对运动关系及熔石英元件抛光加工材料去除模型，系统分析了转速比和偏心距等参数对材料去除函数的影响。通过理论分析和抛光加工实验，研究了不同工艺参数对低频段面形精度的影响规律。利用高分辨率检测仪器对熔石英元件低频面形误差进行了检测，优选出较佳的抛光工艺参数组合，并进行了相应的实验验证，提出了提高光学元件抛光加工低频面形质量的相应措施。