近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所精密光學(xué)制造與檢測中心實(shí)驗(yàn)室在激光高精度修形理論及工藝研究中取得新進(jìn)展。研究首次證明了激光修形技術(shù)可以在近無應(yīng)力條件下，實(shí)現(xiàn)納米精度全頻段誤差一致性收斂。相關(guān)研究成果以“Densi-melting effect for ultra-precision laser beam figuring with clustered overlapping technology at full-spatial-frequency”為題發(fā)表于Optics Express。

伴隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熔石英光學(xué)元件被廣泛應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中，但隨著光學(xué)元件表面質(zhì)量要求的不斷提升，目前的子孔徑拋光技術(shù)不可避免地會(huì)引入雜質(zhì)污染，嚴(yán)重影響了元件在高功率光學(xué)系統(tǒng)中的性能。目前，激光加工具有無接觸、無拋光輔料、加工靈活的優(yōu)勢，有望成為突破現(xiàn)有加工瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)，但現(xiàn)有的激光燒蝕和激光拋光技術(shù)均不能同時(shí)滿足面形和粗糙度的精度要求，對激光超精密加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

針對上述問題，研究首次發(fā)現(xiàn)了“致密化-熔融”效應(yīng)，通過致密化效應(yīng)引起的體積收縮凹陷和熔融效應(yīng)導(dǎo)致的表面平滑，實(shí)現(xiàn)面形和粗糙度同步收斂。該效應(yīng)打破了固有激光燒蝕“減材”修形工藝，并成功揭示了納米量級“等材”修形機(jī)理。此外，研究還提出重疊集束加工工藝，該工藝通過激光加工子區(qū)域（去除函數(shù)）的重疊掃描實(shí)現(xiàn)修形，將控制數(shù)據(jù)量減小三個(gè)數(shù)量級且不引入掃描中頻波紋。通過理論和工藝的結(jié)合，對比激光高精度修形前后結(jié)果，實(shí)現(xiàn)面形RMS從0.009λ到0.003λ (λ=632.8nm)，微米尺度粗糙度從0.447nm到0.453nm，納米尺度粗糙度從0.290nm到0.269nm，應(yīng)力雙折射從2.79nm/cm到3.94nm/cm（滿足<5nm/cm的光學(xué)系統(tǒng)要求），成功實(shí)現(xiàn)了在近無應(yīng)力條件下，納米精度全頻段誤差一致性收斂的激光修形技術(shù)，對光學(xué)元件超精密制造有重要意義。

圖1.全空間頻率誤差收斂的激光修形示意圖；（a）“致密化-熔融”效應(yīng)；（b）重疊集束工藝；（c1，c2）面形誤差；（d1，d2）微米尺度粗糙度誤差；（e1，e2）納米尺度粗糙度誤差（f）功率譜密度曲線。

相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市啟明星揚(yáng)帆計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。

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