超高精度光学元件加工技术

为满足193 nm 投影光刻物镜对光学元件不同频段的精度要求,提出了一种将超光滑加工和高精度面形修正相结合的超高精度光学元件加工技术。分别介绍了微射流超光滑加工技术和离子束高精度面形修正技术的基本原理。在自行研制的微射流超光滑加工机床和购置的离子束加工机床上对一直径100 mm 的熔石英平面镜进行了超高精度加工,经两次超光滑和一次离子束迭代加工后其面形由初始的rms 值35.042 nm 改善到3.393 nm,中频粗糙度由rms 值0.389 nm 改善到0.309 nm,高频粗糙度rms 值由0.218 nm 改善到0.080 2 nm。最后采用功率谱密度函数对加工前后的光学元件表面质量进行了分析评价。结果表明:采用微射流超光滑加工技术和离子束加工技术相结合的加工方法可以全面提升光学元件的面形精度和中、高频粗糙度,通过合理的工艺优化完全能够获得满足193nm投影光刻物镜要求的超高精度光学元件。     

微圆弧金刚石刀具车削锗单晶衍射元件

锗单晶衍射光学元件具有特有的色散和温度特性,在红外光学领域,具有广阔的应用前景。衍射元件必须同时满足光学镜面及相位转变点的要求,采用微圆弧金刚石单点车削是解决这一途径的主要方法之一,但采用微圆弧刀具加工时,要求同时满足粗糙度和相位突变点是加工衍射元件的难点,因此,研究微圆弧金刚石刀具车削锗单晶衍射元件具有重大意义。基于DEFORM 3D切削仿真软件,对金刚石刀具车削锗单晶材料进行了仿真分析,分析了切削参数、刀具参数对锗单晶材料粗糙度的影响,并依据仿真试验结果优选切削参数以及刀具参数进行试验,R0.1mm微圆弧刀具车削单晶材料粗糙度达到4 nm。     

车削加工硫化锌晶体工艺

随着硫化锌晶体光学元件在红外光学系统中的广泛应用,对其表面质量的要求越来越高,但由于该材料的脆性特点,很难获得高质量的表面粗糙度。为了获得高质量的硫化锌晶体表面,首先,介绍了基于单点金刚石车床的车削加工与飞切加工的技术原理,以及影响表面粗糙度的因素。然后,通过工艺实验,采用单一变量法,研究了不同参数的金刚石刀具和不同的加工参数对硫化锌平面元件的表面粗糙度的影响。采用显微镜和白光干涉仪对加工表面的质量进行了检测,并反馈了优化加工参数。最后,基于最优加工参数,采用两种加工方式均获得了表面粗糙度Sa为1 nm左右的高质量硫化锌平面光学元件。该研究结果对高质量硫化锌光学元件的研制提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。     

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。     

硒化锌晶体平面超精密复合加工

硒化锌晶体作为常用的红外晶体材料,广泛应用于红外光学系统中。为了提高大口径硒化锌晶体平面光学元件的加工质量和效率,提出了将超精密飞刀车削加工与传统数控抛光技术相结合的加工方法,首先进行超精密飞刀车削加工,获取到较好的形状精度和表面质量,然后针对飞刀车削后表面痕迹进行传统数控抛光加工,进一步提高光学元件的形状精度和粗糙度。经过实验验证,该方法有效提高了硒化锌平面晶体的加工效率并改善了加工后的表面质量,对硒化锌晶体的超精密加工方式具有重要的参考价值。     

光学表面中高频误差的仿真分析

在光学设计和装调过程中,常常需要随时根据面形质量来预估光学系统的性能,传统的方法都是借助泽尼克多项式拟合光学表面面形来进行仿真评价。但非球面光学元件在加工过程中常常产生中高频误差,这类误差会引入小角度的散射,进而影响光学系统像质评价。提供了一种点对应点的仿真方法,通过准确评价面形质量获得高精度的像质预估结果,解决了传统的泽尼克多项式不能描述中高频成分的关键问题。该方法在实际光学系统中进行了验证,仿真结果和实测数据吻合度优于90%。     

轴对称非球面精密磨削误差补偿

在光学系统中应用非球面元件可以增加光学设计的灵活性,改善光学系统成像质量,提高光学性能,极大地减小光学系统的外形尺寸和质量.通过深入分析轴对称非球面精密磨削成型过程的加工特性,以及工艺过程中的刀具与工件弹性变形、刀具半径误差、轴向对刀误差等主要加工误差因素的成因,建立了刀具与工件变形量模型、刀具半径误差补偿理论模型及轴...     

自由曲面光学元件的慢刀伺服车削加工技术

自由曲面光学元件具有许多优异的光学性能,越来越多地应用到现代光学系统设计中。而自由曲面光学元件制造的复杂性和不确定性是制约其应用的瓶颈之一。慢刀伺服单点金刚石车削是一种可以加工很高精度自由曲面光学表面或非回转对称光学曲面的新技术。机床伺服执行能力是自由曲面能否加工的基本条件。金刚石刀具几何参数的选择、刀具路径规划及刀具半径补偿是确保加工精度的关键。在理论上,对伺服执行能力进行了分析;发展了基于曲面特性分析的刀具参数确定方法;研究了稳定X轴的刀具圆弧半径补偿及刀具路径生成技术。使用慢刀伺服技术加工了多种典型的自由曲面光学元件,取得了较好的结果。     

光学元件磁流变加工驻留时间粒子群优化算法

为实现光学元件磁流变高精度加工,基于脉冲迭代原理,提出基于粒子群算法的驻留时间优化方法。该方法在脉冲迭代法的基础上引入粒子群算法对整体面型残差进行优化,通过对整体驻留时间的判定,从而实现每个驻留时间点的最优选择,达到高精度面形加工。通过对Φ156mm光学表面仿真加工,均方根(RMS)值和峰谷(PV)值从初始的169.164和1161.69nm收敛到23.4925和807.2156nm。仿真结果表明,该算法能在保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,能有效降低中频误差,其算法性能优于常用的脉冲迭代法。该算法为磁流变抛光光学元件过程中的驻留时间计算提供了一种解决方案。     

光学元件质量与加工参数间关系的数学模型研究

光学元件质量与加工参数之间存在复杂的关系,当前模型无法准确描述两者之间的变化特征,使得光学元件加工质量较差。为了获得更优的光学元件加工质量,构建了光学元件质量与加工参数间关系的数学模型。分析光学元件质量的变化特点,根据元件加工流程,获取与光学元件质量相关的参数,并根据参数优化数学模型。仿真测试结果表明,模型可以高精度地描述光学元件质量与参数之间变化关系,减小了元件表面厚度刻蚀误差,使得光学元件加工粗糙度下降,表面形貌更为平整。     

激光直写制备衍射光学元件的研究及应用

衍射光学元件作为一种典型的微光学元件,其体积小、质量轻、设计自由度多、成像质量良好,在光学成像、光学数据存储、激光技术、生物医学等领域具有广阔的应用前景。随着现代光学系统的不断发展,对衍射光学元件的加工效率和制备精度提出了更高的要求。激光直写技术凭借加工精度高、工艺简单、灵活性好等优势,成为制备高精密仪器中关键光学元件所必需的一种加工方式。针对不同的加工需求,开发了多种激光直写系统,并在应用过程中不断地改进升级。另外,突破衍射极限的飞秒激光微纳结构制造技术,能够获得更高的加工精度和更好的分辨率,为微光学元件的制备提供了新的方法。首先介绍了激光直写技术的特点;其次综述了衍射光学元件直写加工技术的研究进展,包括直写技术的影响因素、激光直写系统和多光束加工技术;接着介绍了衍射光学元件的典型应用,如红外成像、色差校正、光束整形、图像显示;最后,对激光直写技术制备衍射光学元件存在的问题和未来发展趋势做出了总结。     

高能激光单晶硅反射镜纳米精度控形控性制造技术

单晶硅反射镜是高能激光系统中的重要元件,其加工质量直接影响着高能激光系统的整体性能指标。针对单晶硅反射镜加工过程中产生的各类缺陷问题,本研究团队提出了采用超精密切削、浸没式抛光、磁流变抛光、离子束抛光等超精密加工方法来提升单晶硅元件的加工质量,并开展了相关研究。本文主要综述了本团队近几年在单晶硅制造技术领域取得的研究进展,包括单晶硅纳米精度表面控形制造技术、单晶硅纳米精度本征表面控性生成方法、纳米精度控形控性组合工艺等一系列关键技术。通过探讨高能激光单晶硅元件制造的现状与关键技术,为实现单晶硅元件纳米精度控形控性制造提供技术支撑。     

高精度离轴非球面透镜的制造与检测

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 mm430 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=0.1,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。     

衍射光学元件的加工工艺及其在各种光谱镜头中的应用

综述了当前衍射光学元件的加工制作工艺方法,包括光刻法、薄膜沉积法、直写法、金刚石车削法、准分子激光加工法、灰阶掩模法和复制法。详细说明了这几种方法加工衍射光学元件的工艺过程,并分析了各种加工方法的优缺点。介绍了衍射光学元件在各种光谱镜头中的应用,分别给出了衍射面在可见光波段、红外波段和紫外波段系统中的具体设计实例。最后得出结论,说明衍射光学元件可以增加设计自由度,简化系统结构,减小体积,减轻质量,改善像差,提高系统成像质量。     

结合CGH与辅助透镜的长焦距非球面反射镜检测（特邀）

目前,一些大口径光学望远镜主镜的曲率半径已经达到了几十米量级,若单纯利用计算全息实现对镜面进行面形检测,则检测光路长度不低于其曲率半径长度。受场地大小及环境气流扰动等因素的限制,该条件下难以实现对镜面的高精度测量。为了解决大口径长焦距光学镜面的高精度面形检测问题,提出了一种混合补偿干涉检测方法。该混合补偿方法结合了计算全息图和辅助透镜,在有效地缩短检测光路长度的前提下,可以实现对非球面镜面的零位补偿干涉测量。在光路设计中,需要有效地实现混合补偿光路光学设计参数优化以及对CGH衍射级次的分离;同时,检测光路长度应小于非球面反射镜曲率半径大小,以实现缩短检测光路长度的目的。通过对EELT主镜镜面进行仿真检测,结果表明:该方法检测光路长度可缩短至镜面曲率半径长度的1/8以内,设计检测精度优于RMS λ/100 （λ=632.8 nm）。上述仿真结果证明了该方法可以在缩短检测光路长度的情况下实现对待测非球面反射镜的高精度面形检测。     

Excimer laser fabrication of diffractive optical elements

Excimer lasers are well known for their ability to machine features on the micron scale. Recently, they have been used to fabricate diffractive optical elements (DOEs). These elements are patterns of pixels machined to the depth required, in order that a reconstructed pattern is formed in the image plane when the DOE is illuminated by a coherent source. The patterns are designed using computer phase retrieval code. These designs are used to create XY co-ordinate data files for conversion to machining routines where the pixels are machined individually. The laser used is an ArF excimer operating at 193 nm. We describe research undertaken on the fabrication and testing of some typical DOEs. The measurements include efficiency of reconstruction as well as the measurements of profile and surface roughness. The work compares the reconstruction results with the topographical measurements made on the DOE for 2, 4 and 8 phase-level designs. Newly developed simulation code was used to generate reconstructions without machining imperfections.     

基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。