高精度数控化学抛光技术

用已有的刻蚀发生器与AD250数控抛光设备进行有效地整合，建立了定域数控刻蚀平台，此实验平台在基片装夹和软件编程上都得到了一定提高，可以根据事先检测基片的干涉图在任意区域内进行编程加工，由于AD250数控抛光设备能够实现三维坐标控制，对刻蚀区域的大小和刻蚀深度可通过编程来实现，完全实现了数字控制加工的目的。在前期实验工作的基础上，根据Marangoni界面效应理论对刻蚀发生器进行改进，改进后的装置在Marangoni效应的稳定上有了很大提高，可以持续不间断的使被加工基片的区域保持Marangoni效应，由于此效应在整个数控化学加工中起核心作用，所以此项单元的改进使得对加工基片的尺寸得到很大扩展，理论上完全满足原型玻璃尺寸的要求，也为后期的数控化学大尺寸面型的修正提供了很好的技术基础，使这项技术在光学加工中的应用得到了保障。     

三倍频熔石英激光损伤的吸收前驱体

 在三倍频熔石英激光损伤研究中,吸收前驱体的存在是造成熔石英材料表面损伤阈值远低于体损伤阈值的主要原因。以吸收作为主线,建立吸收前驱体引起的熔石英表面损伤模型,并讨论吸收前驱体与熔石英表面损伤的联系。针对金属元素微粒残留理论模拟了激光辐照过程中微粒周围温度场的变化,结果表明在脉冲时间内微粒周围温度很快到达损伤判据所给出的临界温度,通过激光损伤实验,证实吸收性微粒含量与损伤密度有密切联系。针对亚表面裂纹,建立一维模型计算受激后裂纹表面附近自由电子密度分布。计算结果和实验结果均表明：金属元素微粒和亚表面裂纹是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,金属元素微粒对激光能量的吸收致使周围材料温度在脉冲时间内达到损伤判据温度2 000 K;受激后裂纹表面的自由电子密度达到1021 cm-3的水平,可导致对后续激光的强烈吸收;两种吸收前驱体极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

石英薄板的数控加工技术

在高功率固体激光装置要求的所有平面透射光学元件中 ,熔石英材料的屏蔽片是光学冷加工难度最高的元件之一 ,加工要求为单次透射波前畸变为λ/ 6(λ =632 8nm )。其外形尺寸径厚比大于 30 :1,远远超出普通光学元件径厚比小于 10 :1的要求。由于径厚比大 ,所以光学元件在加工和测量的过程中很容易受到重力、装夹力等的影响而变形 ,影响加工和检测的精度。介绍了采用新兴的数控加工技术有效的避免了加工过程中各种装夹力、重力对面型的影响 ;通过优化参数 ,加工效率也得到了有效的提高。     

基于工艺的连续相位板设计

为改善惯性约束聚变(ICF)系统中聚焦光束质量,降低元件的加工难度,建立了基于工艺的连续相位板(CPP)理论设计模型,并从初相选取、相位展开、滤波、焦斑频谱控制等多方面改进了传统的G-S算法,比较分析了传统设计方法和基于工艺设计方法设计的CPP的加工特性和焦斑性能.基于工艺设计的CPP面型光滑,其产生的焦斑顶部均方根(RMS)和能量利用率η分别从传统G-S的62.8%和98.0%改进到16.9%和98.6%,而且有效抑制了10～100 μm的频谱成分.结果表明,基于工艺的CPP设计方法能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求.     

透射光学元件的1 064 nm激光损伤特性

通过对K9玻璃增透膜和偏振片的1 064 nm激光损伤试验,显示激光透射元件激光损伤的一个显著特点是形成针孔损伤,其大小在10～50 μm之间,分布呈分离状,其损伤深达基片表层及亚表层,与高反膜的激光损伤形态区别明显.K9和增透膜的孔洞损伤形成于后表面,偏振片形成于膜面,在一定的能量范围内,如能量提高1～2倍,激光能量与孔洞损伤的大小关联不大,只是孔洞的数量增加.孔洞的形成是由激光形成的驻波场引起的,并与基片表面及亚表面的损伤缺陷有关.     

强激光系统波前功率谱密度的数值计算研究

惯性约束聚变(ICF)系统中,影响激光聚焦性能的一个重要指标是波前功率谱密度(PSD),它所对应的空间周期为0.12～33mm。对PSD的数值计算所涉及到的关键技术进行了详细的理论及实验分析研究。通过对中频段的波前位相均方根值的分析表明,波前数据的空域处理采用Quad flip技术较为合适,对频域滤波器的选用需要综合考虑滤波的有效性及波前的失真。通过对二维PSD的分析表明,空域处理采用加窗技术较为合适。该项研究为ICF系统中的PSD指标的确定及检测算法奠定了基础。     

熔石英表面加工引入金属微粒的三倍频激光损伤机制

以材料表面金属元素吸收作为主线建立熔石英表面损伤模型,理论模拟了激光辐照过程中金属微粒周围温度场的变化,模型结果显示,在脉冲时间内微粒周围温度很快达到损伤判据给出的临界温度。通过激光损伤实验,对比刻蚀与未刻蚀样品之间的损伤密度,证实了金属微粒含量与损伤密度存在密切联系。计算结果和实验结果均表明：金属微粒是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

大口径光学元件功率谱密度的统计法测量

针对ICF系统要求,提出了一种基于统计理论的大口径光学元件功率谱密度测量方法。该方法将大口径波前划分成足够多个子区域,分别求得每个子区域波前的功率谱密度,根据统计理论可将大口径波前功率谱密度表示为各个子区域波前功率谱密度的加权平均,其权重因子是各子区域对应的面积。模拟计算和实验结果验证了统计法测量的有效性,并表明当子区域个数大于等于8×8时,统计法测量和子孔径拼接测量得到的功率谱密度吻合较好。统计法测量对平台移动精度和环境稳定性要求不高,可应用于大口径光学元件功率谱密度的过程检测。     

轴对称非球面磨削表面粗糙度和波纹度的分布特性

基于光栅平行磨削的加工方式,分析磨削参数对轴对称非球面表面粗糙度的影响,揭示轴对称非球面表面粗糙度的分布规律。研究砂轮与工件加工过程的干涉现象,阐述其对轴对称非球面表面波纹度的作用机理并提出影响其分布和大小的主要因素。结合磨削实验表明,垂直磨削方向的表面粗糙度明显比平行磨削方向上的大且数值呈现中部小、边缘大的分布特点。砂轮振动和插补步距分别是平行磨削和垂直磨削方向上表面波纹度产生的主要因素。     

先进光学制造技术进展

针对高功率固体激光发展的需求,总结了先进光学制造技术方面的研究进展。采用超精密制造技术提高了非球面等元件的加工精度和制造效率,并为解决低缺陷加工提供了技术途径。围绕面形误差控制,特别是中频波前误差控制,发展了多种确定性抛光技术。针对熔石英元件建立了去除-抑制模型及新的抛光技术,有效抑制了亚表面缺陷的产生。