大口径强激光光学元件超精密制造技术研究进展
【中物院激光聚变研究中心】

当今规模最大、结构最复杂且系统性极强的用于惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)研究的高功率固体激光装置,对激光光学元件有着极大需求量。这些激光光学元件,包括磷酸盐钕玻璃放大片、平面反射镜、非球面聚焦透镜、衍射元件,以及大口径非线性激光晶体等。该类光学元件需要在极为严苛的精度控制指标下,且满足极低缺陷的控制要求下进行制造。为保证获得理想的激光光束质量,并实现高通量条件下的稳定运行,同时满足成组化、模块化和紧凑化的研制目标,对大口径强激光光学元件的制造提出了高效率、批量化、工程化的要求,成为研究的突破口和重点目标。

为此中物院激光聚变研究中心先进光学制造团队提出了以“超精密、确定性”为核心的强激光光学元件全流程制造方法。针对软脆激光晶体材料元件制造需求,突破了单点金刚石超精密切削技术;针对硬脆熔石英材料元件制造需求,突破了非球面超精密数控磨削与确定性抛光等关键技术。

中国工程物理研究院激光聚变研究中心先进光学制造团队通过综述文章,集中展示了近年来大口径强激光光学元件超精密制造技术的主要研究进展。

单点金刚石超精密切削

作为目前唯一适用于高功率激光装置的大口径晶体元件——KDP(Potassium dihydrogen phosphate,磷酸二氢钾)晶体,其易潮解、对温度变化敏感、易开裂的特性不利于加工。针对大口径软脆KDP晶体元件的批量制造需求,研究团队从晶体材料的基本力学性能出发,建立KDP晶体的本构模型,通过综合理论分析及实验结果,提出了脆-塑混合切削模式下光滑表面的形成条件,发明了基于频域误差分配的超精密飞切机床设计方法。单点金刚石超精密切削技术和设备的发展,使大口径软脆KDP晶体元件高精度批量制造得以实现。

图1 KDP晶体脆-塑转变深度仿真结果。(a)0°方向仿真结果;(b)45°方向仿真结果

非球面超精密数控磨削

高功率激光装置所需非球面聚焦透镜通常为高次曲面、类自由曲面,且呈非旋转对称性设计。研究团队联合国内优势力量,自主研制出了大口径非球面光学元件超精密数控磨削机床,该机床对500 mm×500 mm口径离轴非球面元件进行磨削加工,其面形误差PV值达到3.3 μm,亚表面缺陷深度在5 μm以内。非球面超精密数控磨削技术与装备的发展,突破了金刚石砂轮的精密修整技术,使非球面元件的加工实现了高精度、自动化批量制造。

图2 离轴非球面元件磨削面形误差、亚表面缺陷深度结果。

超精密确定性抛光

围绕超精密确定性抛光的需求,重点发展了气囊高效抛光、确定性全口径抛光、低调制度小工具数控抛光、磁流变加工等技术与装备,较前期工艺提高了效率,解决了抛光元件材料表面精度确定性控制与表面缺陷控制等关键技术问题,实现了大口径强激光光学元件全频段精度高效收敛。

 

图3 非球面元件气囊抛光与磁流变抛光实物图。

该综述以“大口径强激光光学元件超精密制造技术研究进展”为题发表在中文刊《光电工程》2020年第8期“先进光学制造”专题。

研究团队简介

中物院激光聚变研究中心先进光学制造团队长期致力于强激光光学元件超精密制造技术研究,获得了包括国家科技重大专项、863计划、国防基础科研、国防基础加强计划、国家自然科学基金等在内的支持,曾获省部级科技奖励20余项,包括军队科技进步一等奖4项,国防科学技术一等奖1项,省级技术发明一等奖1项。近年来,中物院激光聚变研究中心先进光学制造团队在International Journal of Machine Tools & Manufacurte、Journal of the American Ceramic Society、Optics Letters、Optics Express、Applied Surface Science、Laser Physics Letters、Applied Optics 等国际学术期刊上发表SCI论文200余篇。

相关论文

樊非, 徐曦, 许乔, 等. 大口径强激光光学元件超精密制造技术研究进展[J]. 光电工程, 2020, 47(8): 200135.

DOI: 10.12086/oee.2020.200135