近期,中國科學院上海光學(xué)精密機械研究所精密光學製造(zào)與檢測中心研究團隊在光學元件表麵中頻誤差創成機製的研(yán)究中取得新進展。提出了分段路徑卷積(jī)模型和(hé)光順理論,成功定量預測加(jiā)工導致的中頻誤差幅值和形貌(mào)分布(bù)。相關成果於3月13日發(fā)表(biǎo)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(duì)地(dì)偵查、納米(mǐ)光刻等領(lǐng)域的核心技術之一,是衡量一個國家高科技發展(zhǎn)水平及潛(qián)力的重(chóng)要標誌。以(yǐ)計算機控製光學表麵成形技術(shù)(CCOS)為代表的(de)數字化子孔徑光學加工製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(zào)成“碎帶(dài)”誤(wù)差——中頻麵形誤差,光學元件表麵的中頻麵形(xíng)誤差是現(xiàn)代光學工程進一步發展的阻(zǔ)力。對於高功率激光係統來說,中頻誤差會導致焦斑拖尾(wěi)和近場調製,損(sǔn)壞光學元件。成像係統(tǒng)中,中頻(pín)誤差會引起(qǐ)小角(jiǎo)度散射,降低光束質量和成像(xiàng)對比度。數字化子孔徑拋光技中頻誤差表征與抑製一直是國際光學加工領域研究的痛點(diǎn)和熱點問題,目前研究人員仍未掌握中頻(pín)誤差的創成規律,該(gāi)類誤差隻能等待加工後測量獲得,美國(guó)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(chéng)中提出了以功率譜特征曲線(PSD)表征中頻誤差,其主要思路(lù)是通過計算得出光學元(yuán)件表麵中頻(pín)誤差的PSD曲線,然後將其與(yǔ)特征PSD曲線比較,當(dāng)光學元件表麵中頻誤差的PSD曲線在特征曲線之上則為不(bú)合格(gé),PSD曲線能夠準確測出(chū)不(bú)合格的頻段,但卻無法定位不合格頻段在元件表麵(miàn)的區域,從而不能確定性加(jiā)工。
由於不能實(shí)現加工前的定量預測,嚴重阻礙了光學加工向智能化、確定化、高效化發展。針對(duì)該問題(tí),研究人員提出了分段路徑卷積模型(xíng)和光順(shùn)理論(lùn),成功定量預測加工(gōng)導致的中頻誤差幅值和形貌分(fèn)布。分段路徑卷積模型從數學上證(zhèng)明了路徑類型、去(qù)除函數以及控製誤差對中頻誤差的影響耦合機(jī)製,光(guāng)順理論實現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(de)演(yǎn)化過程。基於以上模型,研究(jiū)人(rén)員定義了工具截止頻率和螺線步距約束判據,實現了加(jiā)工中路(lù)徑步距及形貌、工具運動(dòng)模式(shì)及材料選擇、進給速率範圍(wéi)及機械跳動等參數(shù)的全方位智能化選擇方(fāng)案。判據的提出(chū)對於中頻誤差的控製至關重要。實驗進一(yī)步證明了理論模型的(de)有效性,拋光後測量得到的中頻誤差與仿真結果吻合良好。
該項研(yán)究成果極大提(tí)高了光學加(jiā)工中(zhōng)頻誤差的抑製能力,使得絕大多數拋光工具產生的中頻誤差均可被定量預測。此外,參數約束判據(jù)的提出(chū)對於現有人工經驗性參數選擇(zé)模式有(yǒu)著顛覆性指(zhǐ)導意義,為未來智能光學製造的發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(xué)基金天文(wén)聯合基金重點項(xiàng)目、中科院(yuàn)青年創新促進會優秀會員項目等的支持。
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