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
吉林大学电子科学与工程学院，吉林 长春 130012
飞秒激光直写光波导是实现三维光子集成芯片（PIC）的重要技术手段。PIC集成度的提升受弯曲波导曲率半径的限制。为了实现大曲率低损耗弯曲波导的飞秒激光直写，提出多次激光修饰增强波导芯层与包层折射率对比度的方法来优化芯层的横截面折射率分布。在20 mm曲率半径下，实现S型弯曲波导低至0.64 dB/cm的弯曲损耗。该方法在降低弯曲波导损耗方面拥有巨大潜力，对于提升PIC的集成度具有重要意义。
光学制造 光波导 飞秒激光直写 大曲率 弯曲损耗 截面控制 中国激光
2024, 51(16): 1602403
1 吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子学国家联合重点室，吉林 长春 130012
2 清华大学精密仪器系，精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
随着人工智能技术的不断发展，激光工业制造的智能化已成为重要趋势。机器学习作为人工智能的主要技术之一，已经在相关领域得到了广泛应用，并促进该领域实现巨大突破，推动下一代激光微纳加工技术的发展。为此，本文综述了机器学习在激光微纳加工领域各工艺过程中的重要应用，包括激光微纳加工参数优化与工艺窗口预测、加工过程的实时监测与控制、加工结果的预测以及辅助物理机制的研究，总结并展望了当前已有的机器学习与激光微纳加工交叉方向的改进方案，以及未来可能出现的机器学习与激光微纳加工交叉技术的进一步应用。
激光技术 光学制造 微纳加工 过程控制 人工智能 机器学习 中国激光
2023, 50(20): 2000001
1 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 成都太科光电技术有限责任公司，四川 成都 610041
利用二阶泰勒形式表示公差与波像差的函数关系，依据差分光线追迹法，通过光线追迹理论推导完善了偏心和倾斜两种公差关于波像差的一阶导数计算公式，利用依次求导和公式移项两种方法建立波像差的二阶导数模型。结果表明：依次求导法的求解过程复杂，应用范围受到限制，只可用于光学后截距分析；公式移项法所需的追迹像质次数少，且拟合效果良好，残差平方和处于10-7~10-6量级；所提方法可对光学系统进行有效的经济公差分配。
光计算 光学加工 经济公差 波像差 光线追迹 仿真分析 光学学报
2023, 43(13): 1320003
湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心，湖南 长沙 410082
为了揭示曲面复眼玻璃透镜光学精密模压过程中各个子眼应力分布变化状况，通过建立有限元模型，应用MSC.Marc有限元软件对不同工艺参数下的玻璃透镜模压、保压阶段进行了仿真研究，得到了温度、模压速率、模压力对各子眼应力的影响规律和模压力、位移曲线。然后，对不同模压方式下应力变化过程进行研究，发现在球形预形体变形量较大的场合，恒速率模压工况会出现随下压量增加导致外力过大、阻碍应力松弛的现象。最后，对保压阶段进行研究，得到了不同保压力对填充效果和子眼应力分布的影响规律。
光学制造 复眼透镜 模压成形 有限元分析 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0522002
Author Affiliations
Abstract
EPSRC Future Metrology Hub, Centre for Precision Technologies, University of Huddersfield, Huddersfield HD1 3DH, United Kingdom
Freeform optics has become the most prominent element of the optics industry. Advanced freeform optical designs supplementary to ultra-precision manufacturing and metrology techniques have upgraded the lifestyle, thinking, and observing power of existing humans. Imaginations related to space explorations, portability, accessibility have also witnessed sensible in today’s time with freeform optics. Present-day design methods and fabrications techniques applicable in the development of freeform optics and the market requirements are focussed and explained with the help of traditional and non-traditional optical applications. Over the years, significant research is performed in the emerging field of freeform optics, but no standards are established yet in terms of tolerances and definitions. We critically review the optical design methods for freeform optics considering the image forming and non-image forming applications. Numerous subtractive manufacturing technologies including figure correction methods and metrology have been developed to fabricate extreme modern freeform optics to satisfy the demands of various applications such as space, astronomy, earth science, defence, biomedical, material processing, surveillance, and many more. We described a variety of advanced technologies in manufacturing and metrology for novel freeform optics. Next, we also covered the manufacturing-oriented design scheme for advanced optics. We conclude this review with an outlook on the future of freeform optics design, manufacturing and metrology.
freeform optics optical design optical fabrication ultra-precision machining surface metrology International Journal of Extreme Manufacturing
2022, 4(3): 032004
Author Affiliations
Abstract
1 Zhejiang Lab, Research Center for Intelligent Chips and Devices, Hangzhou, China
2 Zhejiang University, College of Optical Science and Engineering, State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Hangzhou, China
3 Zhejiang University, College of Control Science and Engineering, State Key Laboratory of Industrial Control Technology, Hangzhou, China
4 Zhejiang Lab, Research Center for Humanoid Sensing, Zhejiang Lab, Hangzhou, China
Direct laser writing (DLW) enables arbitrary three-dimensional nanofabrication. However, the diffraction limit poses a major obstacle for realizing nanometer-scale features. Furthermore, it is challenging to improve the fabrication efficiency using the currently prevalent single-focal-spot systems, which cannot perform high-throughput lithography. To overcome these challenges, a parallel peripheral-photoinhibition lithography system with a sub-40-nm two-dimensional feature size and a sub-20-nm suspended line width was developed in our study, based on two-photon polymerization DLW. The lithography efficiency of the developed system is twice that of conventional systems for both uniform and complex structures. The proposed system facilitates the realization of portable DLW with a higher resolution and throughput.
optical fabrication parallel direct laser writing peripheral-photoinhibition diffraction barrier breaking Advanced Photonics
2022, 4(6): 066002
1 之江实验室智能芯片与器件研究中心，浙江 杭州 310023
2 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027
双光子激光直写技术以其高精度、高灵活性的特点在科研领域被广泛应用，但较低的直写速度制约了其在工业领域的应用与发展。本团队基于转镜扫描系统设计并验证了一套高速双光子激光直写光刻系统，该系统基于空间光调制器与多通道声光调制器的联合调控，实现了六通道并行刻写功能，且每个通道可独立调控，调控频率可达MHz以上。实验结果表明，每通道直写速度最高可达7.770 m/s，刻写特征尺度最小为150 nm，并行刻写时的最高直写速度可达46.62 m/s。此外，本团队基于反射式像旋转器设计了一种高精度调节通道间距的方法，调节精度优于1 nm。
光学制造 微纳加工 双光子激光直写 多光束并行制造 中国激光
2022, 49(22): 2202009
1 昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
2 云南北方光学科技有限公司，云南 昆明 650217
红外光学元件是红外光学系统的核心部分之一，硫系玻璃具有透过波段宽、消色差和消热差性能好、原材料来源广泛的特点，是一类优异的红外光学材料，在红外领域具有广阔的应用前景。但相比其他红外光学材料，硫系玻璃具有热膨胀系数大、软化点温度低的特点，其待镀膜表面的加工和薄膜沉积难度较大。本文介绍了硫系玻璃待镀膜表面的加工方法，综述了在硫系玻璃元件表面镀增透膜和保护膜的方法及研究进展，归纳总结了硫系玻璃待镀膜表面加工和镀膜现状及存在的问题，并展望了其光学表面制备和镀膜的发展趋势。
材料 硫系玻璃 光学加工 增透膜 保护膜 红外光学 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2100003
