超精密光学元器件制造装备与工艺

超精密光学元器件制造装备与工艺

1、任务概述

超精密光学元器件制造装备与工艺的研究，目的就是为了给国家重大专项所建设的大型激光装置提供合格的大口径、高品质的光学元件，保证工程的圆满按期完成；通过项目的执行，有效推进相关领域的元件检测、脆性材料制造工艺、表面处理等关键技术的进步；通过对知识产权的拥有，来提升民族产业的技术水平和竞争力。所谓的光学元件的超精密加工指的是加工精度达到亚微米或纳米精密的光学加工与制造，这相当于一根人的头发丝的1/20~1/100的精微尺度，如果在1m的天文望远镜主镜上达到这个加工精度，做一个同比例的比喻，相当于一公里长度的铁轨其长度误差只有0.5mm。以至于光学元件的超精密制造技术是一项技术难度非常大，且涉及新进加工、数控、仿真、精密计量等诸多方面的综合技术。

2、战略意义

在我国中长期科技发展规划中，与激光科学工程相关的国家重大专项涵盖了很多重要技术领域，这些领域与上海的2006-2020发展纲要是密切相关的。该专项的实施对于我国未来清洁能源、先进制造、光通讯、国防安全等领域的技术革新和长远发展具有重要的战略意义。

超精密光学元器件对这些大型激光装置来说，就如同砖、瓦、钢筋水泥对建筑高楼大厦一样重要。元器件的制造装备与工艺决定了元

器件的性能和品质，直接影响装置最终的输出性能和输出状态。对于传统光学仪器，如显微镜和望远镜无限制的扩大了人们的视野，是人的眼睛得意“更远、更精、更大”，而光学元件器正是这些光学仪器的器官。因此上海在此时适时布局和规划有关超精密光学元器件的制造与工艺研究具有非常重要的战略意义。

3、国内外现状

无论国内还是国际对于超精密光学元器件制备与工艺技术的驱动均来自于军事、航天、天文及大型民用项目，在美国最大的激光装置是本世纪初刚刚建成的NIF“国家点火工程”其共有光路192路，其中高精度大口径光学元件达7000余片。在国际上类似的装置还有法国的LMJ (Laser Mega Joule)装置。在中国最大的激光装置是建设中的神光III装置。受到大能量和高功率激光驱动装置方面的建设的驱动，各国在大尺寸光学元件的精密加工方面都开展了大量的投入和研究。其中具有代表性的是NIF装置驱动下美国光学加工的发展。据报道，NIF从1995年就开始了对激光材料加工技术技术的筹备和研究，整体工程包含的光学元件总量达到7360片，包括激光玻璃放大片、反射镜、腔镜、窗口、光栅和晶体，其中仅激光玻璃放大片为3072片。这些光学元件的技术指标要求都比常规光学元件的要求要高出许多，NIF的加工指标要求见下表

表错误!文档中没有指定样式的文字。NIF光学元件加工技术指标要求

NIF工程的主要技工技术力量主要集中在LLNL(利弗莫尔实验室)。为了克服光学元件的加工难度所采取的措施一方面是新型加工设备的研制，另一方面是新的工艺技术的革新。如在此期间新型的磁流变抛光技术和等离子抛光技术被广泛的应用，以提高光学元件的抛光表面质量，减低亚表面缺陷，从而提高元件的激光损伤阈值。主动式的大型环形抛光设备也日趋完善用来抛光大尺寸、高精度的激光玻璃放大片。这个时期美国ZYGO公司作为NIF工程磷酸盐激光玻璃放大片加工的主要供应商，它们开发了最大尺寸6m的大型环抛机床，而利弗莫尔实验室与STRASBAUGH公司联合开发了96英寸的大型连续抛光机床，见图1-2。另外SESO、SAGEM和ZYGO公司还参与了法国LMJ光学元件的加工。但是激光玻璃加工工艺方面报道，由于设计核心经济利益，公开的报道很少。在加工技术方面发展电解修模（ELID）技术，研磨表面快速抛光用合成抛光盘技术，计算机控制技术、数控小魔具抛光技术等，使得抛光过程更具针对性，在提高精度的同时减少了传统光学抛光的盲目性，缩短了光学元件的加工周期。

图1-2 a. Zygo 公司的大型环抛设备 b. STRASBAUGH公司96英寸环抛机

国内在大口径光学元件制备和加工工艺水平和技术研究，离国外先进水平尚有很大的差距。大多数光学玻璃的工艺人员尚处经验积累的阶段。目前对这方面已经开展研究的单位不多，主要有上海光学学精密研究所，四川大学和成都精密光学中心等。目前在国内上海光学精密机械研究所在磷酸盐激光玻璃加工技术方面处于国内领先水平，300mm口径激光玻璃抛光的透过波前误差优于0.25λ（λ=0.6328μm），已经具备一定的小批量加工能力。下图是上海光学精密机械研究所的工艺流程装备图。

4、目标与途径

超精密光学元器件的制造与工艺研究的目标是有效保证国家重

大激光装置专项所需给类高精度光学元件的研制、加工、生产与检测等方面的技术基础，并实现对专项的批量供货需求；以高负载能力、高面形控制精度为牵引，突破关键技术瓶颈，发展单元技术所需的方法与工艺；同时通过项目的实施，在学科发展、人才培养、国内外交流、平台建设与共享等方面发挥强大的功能，多方位推动上海市的中长期规划战略的实施，带动新兴激光技术、激光光学产业的迅速发展，推进重大装备和仪器设备的自主创新研制。

可实现的主要技术途径：

（1）大尺寸、高精度、低缺陷和高面形控制精度的光学元器件冷加工技术。

（2）大口径、高精度光学器件的综合检测技术以及相关检测仪器的开发研制。

（3）高精度光学元器件加工设备、加工辅料、辅助条件的技术开发与研制。

5、主要内容

除了确保完成国家重大专项对超精密光学元件的供货需求外，还要重点在以下领域内开展相应的研究工作：

（1）超精密光学元件微观结构的表征与综合性能的检测

（2）超精密光学元件传统加工以及数字加工的工艺技术的研究与对比，并对工艺技术进行固化。

（3）开展自主仪器设备的开发与研制，包括传统与数字光学元器件加工机床、光学元器件的检测仪器与设备、以及相关辅助加工设备。

（4）光学元器件加工的在线监控与检测技术。

（5）光学元器件与激光相互作用的机制分析、材料的可靠性分析研究等。

（6）国内外科学技术的交流与协作。