超强激光科学卓越创新简报

(第二百五十九期)

2022年3月28日

上海光机所在磨料水射流超精密加工理论及工艺研究中取得新进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心实验室在磨料水射流超精密加工理论及工艺研究中取得新进展。该研究成果拓展了磨料水射流加工的应用场景，同时为中频误差的抑制提供了一个全新有效的方法，对光学加工的发展有重要的指导意义。相关成果发表在Optics Express（《光学快报》）上。

　　现代光学系统对超精密光学元件有迫切的需求，数字化子孔径抛光是获取超精密光学元件重要手段，子孔径抛光在加工过程由于周期路径的卷积效应容易产生中频误差。对于高功率激光系统来说，中频误差会导致焦斑拖尾和近场调制，损坏光学元件。高能成像系统中，中频误差会引起小角度散射，降低光束质量和成像对比度。中频误差的抑制一直是国际光学加工领域研究的痛点和热点问题。现有抑制中频误差的方法普遍存在加工效率较低且有些方法还会破坏低频面形的问题。与此同时，磨料水射流抛光方法具有非破坏性和非接触性的特点，但由于其去除函数尺寸小、效率低的缺陷，仍缺少合适的应用场景。

　　针对上述问题，研究基于Preston经典加工理论通过复数频谱最优化建立的拓展模型验证了稀疏“双步距栅格路径”的存在，其可以通过抑制误差频谱的前两阶峰值来实现周期性条纹误差有效去除。研究通过该模型能准确得出最优加工参数，再利用磨料水射流抛光去除函数尺寸小的特点在最优加工参数下将去除量精确落到中频误差的高点处，从而实现中频误差的保形高效去除。研究发现在磨料水射流超精密加工中通过特定的稀疏“双步距栅格路径”在去除子孔径抛光中残留的周期结构条纹（中频误差）上有显著优势。与传统去除中频误差方法相比，磨料水射流加工通过稀疏“双步距栅格路径”能够大幅缩短加工时间，且加工前后的表面面形和表面粗糙度能基本保持一致。稀疏“双步距栅格路径”理论上并不局限于射流抛光工具，这对其他光学加工方法工艺研究提供了一定的参考意义。

　　相关工作得到了上海市扬帆计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会的支持。

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图1 稀疏“双步距栅格路径”加工方法空间域和频域示意图

图2 利用射流抛光通过稀疏“双步距栅格路径”去除中频误差实验结果