光学元件亚表面缺陷表征与检测技术研究现状分析（特邀）

光学元件常用脆性材料作为原材料,脆性材料加工过程中极易引入亚表面缺陷,亚表面缺陷对脆性材料的制造阶段和应用阶段均存在严重的危害。制造方面,亚表面缺陷影响工序的选择与衔接,易产生过加工、欠加工等问题,导致加工效率低下;应用方面,亚表面缺陷影响光学元件的成像质量、稳定性、使用寿命等关键技术参数。为了高效率、高质量地去除亚表面缺陷,全面表征和准确检测光学元件的亚表面缺陷至关重要。文中首先介绍了不同加工方式对应的亚表面缺陷形成机理与亚表面缺陷的表征方法研究现状;其次归纳总结了破坏性与非破坏性的亚表面缺陷检测方法,分别介绍了不同检测方法的原理、适用材料与加工阶段、优点与不足之处;并介绍了基于表面粗糙度、加工参数的亚表面缺陷预测方法;最后,对亚表面缺陷检测技术的发展趋势进行了展望。     

前馈控制算法校正相移微动台非线性运动

压电陶瓷具有推力大,响应速度快,分辨率高和能耗低等优点,但其形变量小,所以需要位移放大机构对其形变量进行放大,实现长行程高分辨率位移。针对压电陶瓷作为驱动器,柔性铰链位移放大装置作为导向机构的相移微动台运动存在非线性问题,采用多项式模型对其位移特性进行建模,通过求解逆多项式获得使其线性运动非线性电压,利用实验对非线性运动校正结果进行验证。实验结果表明,所采用前馈控制算法可以很好的校正相移微动台非线性运动,校正后相移台在x,y方向产生的最大相移误差为4°与3.2°,满足高精度相移干涉测量对相移台相移误差要求。     

基于有限元及神经网络的磨削温度仿真预测

为了控制由于磨削温度过高引起的工件表面热损伤,对磨削温度场的分布进行了仿真和预测研究。首先,采用有限元法对磨削温度场的分布状况进行了仿真研究,并通过实验验证了仿真结果的准确性;随后,以仿真结果作为训练样本采用BP神经网络对不同条件下的磨削温度进行了预测,通过与仿真结果的比较验证了BP神经网络预测模型的准确性。结果表明：采用有限元和神经网络相结合的方法对磨削温度进行仿真预测具有较高的准确性,为实际应用中磨削参数的选取提供了理论依据。     

光纤O2敏感探头的制备与性能测试

通过对多孔光纤修饰Ru配合物掺杂的敏感膜,制备了一种O2光纤传感探头。该探头结构基于简单的多孔光纤,内部设有贯穿的微孔道作为敏感材料的载体以及微传感池,在微孔道内完成传感过程。通过沉积凝胶膜修饰敏感层,即将含有[Ru(dpp)3]2+的溶胶直接吸入光纤内部,在光纤微孔阵列中形成高分子敏感膜。传感过程基于荧光淬灭原理,由于O2对敏感膜中的[Ru(dpp)3]2+具有强烈的荧光淬灭作用,传感探头对于不同浓度的O2表现不同的荧光强度。实验结果表明:设计的探头对于0～100%浓度的O2呈线性响应,灵敏度I0/I100值为9.4,探头在50ms内即可做出快速响应。实验还显示,实验值与真值的误差小于3%,常压下的检测分辨率可以达到2%。     

气囊抛光过程的运动精度控制

针对用于球面、非球面光学元件超精密光学加工的气囊抛光技术,提出了一套控制抛光过程中气囊运动精度的方法。该方法通过控制加工单元的温度,保证抛光过程中设备运动精度达到50μm;使用坐标传递法,使检测数据二维方向对准不确定度达到0.30~0.70mm。另外,基于磨头去除量估计与反馈修正法,提高精抛过程面形误差收敛效率。最后,通过磨头探测校准法,将磨头与加工工件法向位置精度提高至10μm。实际抛光实验显示:使用运动精度控制法在280mm口径的平面精密抛光中获得的面形加工精度为0.8nm(RMS),在160mm口径的凹球面精密抛光中获得的面形加工结果为1.1nm(RMS),实现了超高精度面形修正的目的,为超高精度球面、非球面光学元件加工提供了一套行之有效的方法。该方法同样适用于其他接触式小磨头数控抛光方法。     

溶胶-凝胶薄膜修饰的微结构聚合物光纤氟离子传感探头

通过对微结构聚合物光纤修饰桑色素-铝配合物掺杂的凝胶薄膜,制备了一种氟化物光纤传感探头。这种探头的结构基于微结构聚合物光纤实现,其内部具有贯穿的微孔道结构,这种微孔道结构可以作为敏感材料的载体以及微传感池。敏感层的修饰通过溶胶-凝胶过程实现,将掺有桑色素-铝的溶胶直接吸入光纤内部,可以在光纤微孔阵列中形成凝胶敏感膜。微结构光纤内部可以容纳微量液体,传感过程在微孔道内进行。基于荧光淬灭原理实现传感,氟离子对凝胶膜中桑色素-铝具有强烈的荧光淬灭作用,因此,传感探头对于不同浓度的氟离子溶液表现不同的荧光强度。在pH值为4.6的条件下,探头对于氟离子具有良好的响应,可在5～50mmol/L内传感。     

高次离轴凸非球面反射镜组合加工（特邀）

为提高离轴三反消像散（TMA）光学系统中次镜的制造效率和精度,开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先,介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线;其次,提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺;最后,阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器,并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正,最终面形RMS值为0.025λ （λ=632.8 nm）,满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。     

三坐标检测光学元件曲率半径的误差分析

对光学元件曲率半径的通用检测方法进行评估,理论分析了三坐标系统检测元件曲率半径误差的主要来源、分布以及总和,并通过与激光干涉仪测量结果的对比,明确了三坐标测量系统的检测精度,为铣磨加工阶段进一步修正光学元件曲率半径提供数据支持。首先介绍了三坐标系统检测曲率半径的基本原理,对测量误差的主要来源进行简单分析,获得三坐标系统测量曲率半径的不确定度;阐述了激光干涉仪测量曲率半径的基本原理以及误差来源,并计算了测量不确定度,证实激光干涉仪的理论测量精度优于三坐标系统。然后利用三坐标系统对简单抛光后的F数分别为2.17、1.45、0.923的光学元件进行实际测量,并与激光干涉仪的测量结果进行了比较。最后,对实验结果与理论计算结果进行对比。论文研究结果确定了三坐标系统测量光学元件曲率半径的不确定度,证实了利用三坐标测量曲率半径满足铣磨加工阶段的要求,能够为铣磨加工提供指导;同时研究发现,随着光学元件F数的增加,三坐标和激光干涉仪的测量误差都有增大的趋势。