超强激光科学卓越创新简报

(第三百八十八期)

2023年5月24日

上海光机所在激光高精度修形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激光高精度修形理论及工艺研究中取得新进展。研究首次证明了激光修形技术可以在近无应力条件下，实现纳米精度全频段误差一致性收敛。相关研究成果以“Densi-melting effect for ultra-precision laser beam figuring with clustered overlapping technology at full-spatial-frequency”为题发表于Optics Express。

　　伴随着现代光学技术的发展，熔石英光学元件被广泛应用于高功率激光系统中，但随着光学元件表面质量要求的不断提升，目前的子孔径抛光技术不可避免地会引入杂质污染，严重影响了元件在高功率光学系统中的性能。目前，激光加工具有无接触、无抛光辅料、加工灵活的优势，有望成为突破现有加工瓶颈的关键技术，但现有的激光烧蚀和激光抛光技术均不能同时满足面形和粗糙度的精度要求，对激光超精密加工提出了巨大的挑战。

　　针对上述问题，研究首次发现了“致密化-熔融”效应，通过致密化效应引起的体积收缩凹陷和熔融效应导致的表面平滑，实现面形和粗糙度同步收敛。该效应打破了固有激光烧蚀“减材”修形工艺，并成功揭示了纳米量级“等材”修形机理。此外，研究还提出重叠集束加工工艺，该工艺通过激光加工子区域（去除函数）的重叠扫描实现修形，将控制数据量减小三个数量级且不引入扫描中频波纹。通过理论和工艺的结合，对比激光高精度修形前后结果，实现面形RMS从0.009λ到0.003λ (λ=632.8nm)，微米尺度粗糙度从0.447nm到0.453nm，纳米尺度粗糙度从0.290nm到0.269nm，应力双折射从2.79nm/cm到3.94nm/cm（满足<5nm/cm的光学系统要求），成功实现了在近无应力条件下，纳米精度全频段误差一致性收敛的激光修形技术，对光学元件超精密制造有重要意义。

　　相关工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市启明星扬帆计划、中国科学院青年创新促进会的支持。

　　原文链接

图1 全空间频率误差收敛的激光修形示意图；（a）“致密化-熔融”效应；（b）重叠集束工艺；（c1，c2）面形误差；（d1，d2）微米尺度粗糙度误差；（e1，e2）纳米尺度粗糙度误差（f）功率谱密度曲线。