近期，中國科學院上海光學精密機械研究所精密光學制造與檢測中心研究團隊在光學元件表面中頻誤差創(chuàng)成機制的研究中取得新進展。提出了分段路徑卷積模型和光順理論，成功定量預測加工導致的中頻誤差幅值和形貌分布。相關成果于3月13日發(fā)表在[Optics Express, 28, 8959-8973 (2020)]。
超精密加工技術是高功率激光、空間探測、對地偵查、納米光刻等領域的核心技術之一，是衡量一個國家高科技發(fā)展水平及潛力的重要標志。以計算機控制光學表面成形技術(CCOS)為代表的數(shù)字化子孔徑光學加工制造技術極大提高了光學元件加工的效率，然而CCOS技術不可避免地會造成“碎帶”誤差——中頻面形誤差，光學元件表面的中頻面形誤差是現(xiàn)代光學工程進一步發(fā)展的阻力。對于高功率激光系統(tǒng)來說，中頻誤差會導致焦斑拖尾和近場調制，損壞光學元件。成像系統(tǒng)中，中頻誤差會引起小角度散射，降低光束質量和成像對比度。數(shù)字化子孔徑拋光技中頻誤差表征與抑制一直是國際光學加工領域研究的痛點和熱點問題，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量獲得，美國勞倫斯利佛摩爾國家實驗室（LLNL）研究國家點火裝置（NIF）的過程中提出了以功率譜特征曲線（PSD）表征中頻誤差，其主要思路是通過計算得出光學元件表面中頻誤差的PSD曲線，然后將其與特征PSD曲線比較，當光學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曲線能夠準確測出不合格的頻段，但卻無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。
由于不能實現(xiàn)加工前的定量預測，嚴重阻礙了光學加工向智能化、確定化、高效化發(fā)展。針對該問題，研究人員提出了分段路徑卷積模型和光順理論，成功定量預測加工導致的中頻誤差幅值和形貌分布。分段路徑卷積模型從數(shù)學上證明了路徑類型、去除函數(shù)以及控制誤差對中頻誤差的影響耦合機制，光順理論實現(xiàn)了定量預測中頻誤差在任何類型的多層拋光工具加工下的演化過程。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)，實現(xiàn)了加工中路徑步距及形貌、工具運動模式及材料選擇、進給速率范圍及機械跳動等參數(shù)的全方位智能化選擇方案。判據(jù)的提出對于中頻誤差的控制至關重要。實驗進一步證明了理論模型的有效性，拋光后測量得到的中頻誤差與仿真結果吻合良好。
該項研究成果極大提高了光學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測。此外，參數(shù)約束判據(jù)的提出對于現(xiàn)有人工經(jīng)驗性參數(shù)選擇模式有著顛覆性指導意義，為未來智能光學制造的發(fā)展奠定了理論和實驗基礎。
相關工作得到國家重大專項、中科院科研儀器裝備、國家自然科學基金天文聯(lián)合基金重點項目、中科院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員項目等的支持。
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