近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所精密光學(xué)制造與檢測(cè)中心研究團(tuán)隊(duì)在光學(xué)元件表面中頻誤差創(chuàng)成機(jī)制的研究中取得新進(jìn)展。提出了分段路徑卷積模型和光順理論，成功定量預(yù)測(cè)加工導(dǎo)致的中頻誤差幅值和形貌分布。相關(guān)成果于3月13日發(fā)表在[Optics Express, 28, 8959-8973 (2020)]。
超精密加工技術(shù)是高功率激光、空間探測(cè)、對(duì)地偵查、納米光刻等領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，是衡量一個(gè)國(guó)家高科技發(fā)展水平及潛力的重要標(biāo)志。以計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(CCOS)為代表的數(shù)字化子孔徑光學(xué)加工制造技術(shù)極大提高了光學(xué)元件加工的效率，然而CCOS技術(shù)不可避免地會(huì)造成“碎帶”誤差——中頻面形誤差，光學(xué)元件表面的中頻面形誤差是現(xiàn)代光學(xué)工程進(jìn)一步發(fā)展的阻力。對(duì)于高功率激光系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中頻誤差會(huì)導(dǎo)致焦斑拖尾和近場(chǎng)調(diào)制，損壞光學(xué)元件。成像系統(tǒng)中，中頻誤差會(huì)引起小角度散射，降低光束質(zhì)量和成像對(duì)比度。數(shù)字化子孔徑拋光技中頻誤差表征與抑制一直是國(guó)際光學(xué)加工領(lǐng)域研究的痛點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，目前研究人員仍未掌握中頻誤差的創(chuàng)成規(guī)律，該類誤差只能等待加工后測(cè)量獲得，美國(guó)勞倫斯利佛摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）研究國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）的過(guò)程中提出了以功率譜特征曲線（PSD）表征中頻誤差，其主要思路是通過(guò)計(jì)算得出光學(xué)元件表面中頻誤差的PSD曲線，然后將其與特征PSD曲線比較，當(dāng)光學(xué)元件表面中頻誤差的PSD曲線在特征曲線之上則為不合格，PSD曲線能夠準(zhǔn)確測(cè)出不合格的頻段，但卻無(wú)法定位不合格頻段在元件表面的區(qū)域，從而不能確定性加工。
由于不能實(shí)現(xiàn)加工前的定量預(yù)測(cè)，嚴(yán)重阻礙了光學(xué)加工向智能化、確定化、高效化發(fā)展。針對(duì)該問(wèn)題，研究人員提出了分段路徑卷積模型和光順理論，成功定量預(yù)測(cè)加工導(dǎo)致的中頻誤差幅值和形貌分布。分段路徑卷積模型從數(shù)學(xué)上證明了路徑類型、去除函數(shù)以及控制誤差對(duì)中頻誤差的影響耦合機(jī)制，光順理論實(shí)現(xiàn)了定量預(yù)測(cè)中頻誤差在任何類型的多層拋光工具加工下的演化過(guò)程。基于以上模型，研究人員定義了工具截止頻率和螺線步距約束判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了加工中路徑步距及形貌、工具運(yùn)動(dòng)模式及材料選擇、進(jìn)給速率范圍及機(jī)械跳動(dòng)等參數(shù)的全方位智能化選擇方案。判據(jù)的提出對(duì)于中頻誤差的控制至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了理論模型的有效性，拋光后測(cè)量得到的中頻誤差與仿真結(jié)果吻合良好。
該項(xiàng)研究成果極大提高了光學(xué)加工中頻誤差的抑制能力，使得絕大多數(shù)拋光工具產(chǎn)生的中頻誤差均可被定量預(yù)測(cè)。此外，參數(shù)約束判據(jù)的提出對(duì)于現(xiàn)有人工經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)選擇模式有著顛覆性指導(dǎo)意義，為未來(lái)智能光學(xué)制造的發(fā)展奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
相關(guān)工作得到國(guó)家重大專項(xiàng)、中科院科研儀器裝備、國(guó)家自然科學(xué)基金天文聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目等的支持。
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