我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列

<正>由国防科技大学机电工程与自动化学院自主研制的新一代超精密光学零件加工设备,日前通过相关单位组织的工艺考核。结果表明,该套设备加工精度实现亚纳米级重大突破,其典型试验件的光学零件面形精度RMS(均方根)值达到0.361纳米,标志我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列。超精密加工技术是先进装备制造的关键性瓶颈技术,纳米精度被誉为超精密加工技术"皇冠上的明珠"。过去,由于我国光学零件加工技术落后,无法进行大口径、高精     

大口径薄型光学零件弹性夹具优化及夹持变形研究

装夹技术是单点金刚石切削技术(SPDT)的重要组成部分,夹具设计对光学零件的加工精度有重要影响,大口径薄型光学零件装夹时更易产生夹持变形,零件下盘后变形恢复导致面形精度不可控,难以满足加工要求.本文采用有限元仿真分析法,引入正交试验的思路,对夹具设计进行仿真和统计学分析,研究弹性夹具各参数、夹持力和零件径厚比等因素对大...     

大口径数字波面检测技术的研究

现代光学系统多采用大口径的光学元件来提高系统的测试精度。数字波面干涉仪是一种高精度光学元件检测设备,但目前传统的技术无法满足检测大口径光学元件的要求。在普通数字波面干涉仪的基础上,采用目标函数多孔径拼接技术,能很好地解决大口径光学元件检测问题,最终得到较完整的波前信息。     

大口径衍射光栅的污染损伤与清洗技术研究进展

大口径衍射光栅的污染损伤是目前限制超短超强脉冲激光系统输出能量提升的瓶颈问题。围绕光栅损伤与洁净,分析了衍射光栅的工作原理和结构特性,探究了光栅性能改进措施,得出污染是造成光栅损伤的重要原因之一。在光栅污染损伤过程中,脉冲长度和污染物种类对光栅的损伤特性产生重要影响。并对光栅表面污染物的来源和成分进行分析,认为光栅表面的污染主要分为制作运输污染和运行环境污染两类。多种清洗技术组合是未来发展的重要趋势。分析比较了大口径衍射光栅清洗技术的特点,认为等离子体在线清洗方法可以有效地去除装置运行过程中产生的有机污染物,是未来超短超强脉冲激光系统优选的在线清洗技术。在对比光栅表面污染物表征方式的基础上,综合光栅激光诱导损伤阈值、衍射效率和棱柱机械性能等指标来评价光栅的污染状态和清洗效果。旨在通过大口径衍射光栅的污染损伤特性分析与研究,突破激光系统能量输出的技术瓶颈,拓展大口径光学元件的污染物在线去除思路,为超短超强脉冲激光系统的性能提升奠定基础。     

高精度大口径枕木型光栅刀桥加工与检测

本文叙述了大口径高精度枕木型光学零件的加工与测试方法,并对关键性工艺做了较深入介绍.     

光学零部件的清洗

精密机床光学系统的透明度是光学装置的一个重点要求。在日常工作中,往往由于自然条件的影响,加上维护使用不当,会使灰尘、润滑油、切削液等污垢附在光学零件的表面上,遮住部分光线或使光学零件上的镀层霉损,从而使光通量减少。因此,必须加强对光学装置的日常维护,并正确地进行清洗调整,使读数清晰可靠。无论是单独拆下的光学零件、带有金属框座或联结在机床装置上而不妨碍擦拭的光学零件,均可参照下列方法进行清洗。     

大口径光学元件超精密加工技术与应用

大口径光学元件超精密加工技术是多种学科新技术成果的综合应用,促进了民用和国防等尖端技术领域的发展,在国家大光学工程的推动下,我国的超精密加工技术取得显著的成果。围绕大口径光学元件“高精度磨削＋确定性抛光”超精密加工体系,介绍该领域研究进展及厦门大学微纳米加工与检测联合实验室取得的相关研究成果,主要针对光学元件磨削和抛光两个加工流程,详细分析磨削装备技术、磨削工艺技术、精密检测技术、可控气囊抛光技术、加工环境监控技术和中频误差评价技术等关键技术的研究应用情况。这些技术研究从超精密加工的需求出发,借鉴国内外的研究经验和成果,通过对装备、工艺、检测等各方面整合,形成具有自主知识产权的大口径光学元件磨抛超精密加工体系,从而实现大口径光学元件高精度、低缺陷加工。     

高精度光学平面的磨制

随着科学技术的发展,特别是激光技术、微电子学技术和空间技术的发展,对高精度光学零件需求越来越大、精度要求越来越高。其精度要求,磨制方法及检测手段、已成为光学冷加工行业所关注的一个重要课题。近几年来,我们先后磨制了φ50毫米、φ100毫米、φ150毫米等不同口径的光学标准平板,其精度可稳定在1/30λ～1/4λ。本文介绍φ150毫米标准板的磨制。     

超声波金属表面综合处理工艺与设备

该技术适用了金属表面喷涂、浸漆、电镀衙真空离子镀膜等前期处理,也适用于珠宝首饰、医疗器械、玻璃器皿、半导体材料、光学零件和精密机械零件等的清洗,其应用范围极其广泛。该技术集超声除油、超声除     

光学零件超声波清洗综述

在概述超声波清洗机理之后，着重介绍了光学零件超声波清洗的应用及其使用的清洗剂、脱水剂、干化剂等清洗辅料的进展状况，以及当前清洗辅料的研究动态及面临课题。     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。     

大口径平面光学元件的磁流变加工

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800mm×400mm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34nm,中频波前功率谱密度(PSD1)值为1.7nm,高频粗糙度Rq值为0.27nm。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。     

大口径传输反射镜的研究进展

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求,探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400mm口径K9反射类坯片精密退火工艺,形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜,并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后,综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400mm口径传输反射镜在1053nm处以45°入射时,其表面粗糙度优于99.8%,面形PV值小于λ/3(λ=1 053nm),损伤阈值大于30J/cm2(5ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置,有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。     

星载高光谱成像仪光学系统的选择与设计

本文概述了目前高光谱成像仪所采用的光学系统结构,分析讨论了棱镜色散、光栅色散、傅立叶变换三种主流高光谱成像仪分光方式的结构原理和优缺点,棱镜色散光能利用率高,但体积大,棱镜材料受空间环境变化影响较大,光栅色散效率低,但体积小,受环境影响小,傅立叶变换光谱成像系统由于分光棱镜的存在,能量至少损失50%以上。文中对国内外高光谱成像仪采用较多的Offner凸光栅光谱成像系统进行了论述,根据应用目标设计了一个离轴三反射镜望远系统和变倍Offner凸光栅组合的高光谱成像仪光学系统,该系统具有体积小、成像质量好、无光谱畸变的优点,通过加大光学系统的相对孔径,增加系统的入射光能量,弥补了光栅衍射效率低的缺点。     

Contrast,resolution, pixelation,dynamic range and signal-to-noise ratio: fundamental limits to resolution in fluorescence light microscopy

In a perfect optical system numerical aperture and wavelength determine resolution. In a real optical system, however, the number of photons collected from a specimen determines the contrast and this limits the resolution. Contrast is affected by the number of picture elements per unit area, the number of photons and the aberrations present in every optical system. The concept of contrast vs. distance functions is used to compare the resolution achievable in confocal and wide-field fluorescence microscopes and the effect of a further reduction of the observable volume. In conclusio: (a) real optical systems will never be able to achieve the theoretical resolution, (b) wide-field fluorescence microscopy will often provide a better resolution than confocal fluorescence microscopy, (c) decreasing the observed volume does not necessarily increase the resolution and (d) using multiple fluorophores can improve the accuracy with which distances are measured. Some numbers for typical situations are provided.     

Nonoptical method of spectral cathode luminescence analysis

A new method for measuring a monochromatic wavelength of cathodoluminescence using a scanning electron microscope is described. By eliminating losses of the optical system and ensuring a large relative aperture, it is possible to measure the wavelengths of luminous surface spots and compositions of spot sizes up to 2 μm; spectral resolution is about 3 nm.     

分孔径三视场中波红外光学系统

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾,设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术,包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道,两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成,小视场光学通道采用二次成像,仅采用6片透镜,透过率高;中视场/大视场光学通道采用三次成像;小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组,实现了共出瞳分入瞳——分孔径;小视场长焦距为1 120mm,大视场短焦距为22.58mm,变倍比达到53×;对小视场光学通道进行了三次立体折叠,对中/大视场光学通道进行了一次折叠,有效地对横向和纵向尺寸进行了控制,外形包络在270mm×217mm×258mm范围内,系统紧凑,实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。     

大口径折反射式变焦距物镜的设计

本文介绍了一种大口径变焦距物镜的设计方法,该方法将整体光学系统分为前后两个部分,在前端光学系统采用反射式的结构来满足大口径的要求,后端光学系统采用将变焦距物镜倒接的方式,在系统的一次像面处进行组合,通过对后端倒接变焦距物镜的优化设计保证系统的成像质量。同时,通过具体的实例加以验证说明,从设计的结果看这种设计方法是可行的,并能保证系统结构的简单紧凑,解决了大口径光学系统在实现连续变焦时光学系统设计困难的问题。     

Optical microcantilever consisting of channel waveguide for scanning near-field optical microscopy controlled by atomic force

We develop a novel optical microcantilever for scanning near-field optical microscopy controlled by atomic force mode (SNOM/AFM). The optical microcantilever has the bent channel waveguide, the corner of which acts as aperture with a large tip angle. The resonance frequency of the optical microcantilever is 9 kHz, and the spring constant is estimated to be 0.59 N/m. The optical microcantilever can be operated in contact mode of SNOM/AFM and we obtain the optical resolution of about 200 nm, which is as same size as the diameter of aperture. We confirm that the throughput of optical microcantilever with an aperture of 170 nm diameter would be improved to be more than 10⁻⁵.     

Interferometric measurement of femtosecond optical pulses emitted from a fibre probe

An interferometric technique is applied to a temporal analysis of the far-field radiation from a near-field optical fibre probe. A balanced homodyne scheme combined with lock-in detection at dual harmonics allows one to evaluate the temporal form of weak signal pulses, even in the presence of some environmental vibrations that disturb the optical interference. The transmission properties of a small aperture are formulated theoretically. It is shown that the sub-wavelength aperture should not distort the femtosecond optical pulses temporally, which is consistent with the experimental observation.