進步前輩光學超緊密制造技巧近況查包養網、題目與提出_中國網

作者:

分類:

光學制造的嚴重需求與特點

光學制造嚴重需求

光學制造技術作為現代緊密工業的焦點支柱,深入影響著激光核聚變、空間對地觀測、深空探測、極紫外光刻等關鍵領域的發展進程。隨著全球科技競爭加劇,光學制造技術不斷衝破傳統限制,向著高精度、高概況質量標的目的邁進,光學元件的面形精包養網度和概況質量已成為權衡國家高端制造才能的主要標志。

強激光系統作為超緊密制造技術的典範代表,在強激光系統的焦點機能(如穩定性、功率輸出及光束質量)中,光學元件的超緊密制造技術起著決定性感化。以激光核聚變裝置為例,年夜口徑透鏡需求實現極高面形精度與亞納米級概況粗拙度,同時對元件裝調精度請求達到微弧懷抱級,系統需在高功率下堅持長期穩定性。

在空間光學遙感及深空探測領域,光學系統中的光學元件機能請求越來越高。重要表現在:口徑越來越年夜,已經進步至4 m量級以上;輕量化率越來越高,從以往的60%到現在85%以上;面形精度請求越來越包養網排名高,從0.020λRMS(均方根)降至0.01λRMS以下。

在極紫外光刻領域,光刻系統的焦點是高精度的反射鏡組,凡是由多塊超滑膩反射鏡組成。這些反射鏡需求經過超緊密加工和特別鍍膜,以確保極高的反射率和低散射。這些反射鏡面形精度的峰谷值(PV)小于1 nm,概況粗拙度需把持在0.1 nm(RMS)以下,任何渺小缺點如原子級凹凸均會導致光線散射,影響成像辨別率。

綜合來看,強激光系統、空間光學系統、極紫外光刻機等嚴重裝備的極限技術指標對超緊密加工工藝提出了近乎嚴苛的挑戰,此類需求標志著光學制造技術向著原子級制造的標的目的疾速發展。

先進光學超緊密制造特點

伴隨著光學元件制造需求的增強,今朝光學元件的重要形狀類型涵蓋平球面、非球面、柱面、錐面、不受拘束曲面等多種類型。多樣化的光學元件特點、機能請求給光學元件的超緊密制造技術帶來了極年夜挑戰。其特點與挑戰如下:

低頻高精度:形狀復雜、陡度高的光學元件的應用場景對光學系統的波前精度提出嚴苛的制造請求,對元件的單鏡面形高精度制造技術、面形高精度檢測技術、系統級元件組合修配技術提出了很年夜挑戰。

中頻淺紋理:強激光等領域的光學元件相較于傳統元件對中頻把持請求更高,對器件低損傷成形技術、中頻誤差光滑技術、中頻誤差高精度測量與修整技術帶來宏大挑戰。

高頻超滑膩:相較于傳統元件,極紫外光刻等領域的光學元件在低缺點、超滑膩方面請求極高,對低損傷成形技術、拋光損傷把持技術、超滑膩概況處理技術、清洗技術等帶來宏大挑戰。

姿態高精度:光學元件的應用場景對光學面與裝調基準的相對地位精度提出了更為嚴格的制造請求,對加工檢測全流程基準傳遞與把持技術帶來較年夜的挑戰。

綜上所述,先進光學制造區別于傳統元件的高精度制造請求也給技術、工藝和裝備的發展供給新的動力,面向先進光學元件制造的技術應具有3個特點:拋光往除量分布的高準確性把持;往除函數效力和標準的年夜范圍調控才能;概況光潔度和粗拙度的工藝把持方式。以實現先進光學元件控形控性全頻段高精度制造。同時,需求構成單項制造技術瓶頸衝破為基礎、全制造流程關鍵環節的全鏈路協同制造才能晉陞的發展新范式。

超緊密制造技術發展現狀

光學元件資料制備技術

今朝全球年夜尺寸光學玻璃的產業化制備才能高度集中,僅american康寧公司(Corning)、德國賀利氏公司(Heraeus)、japan(日本)小原公司(Ohara)及德國肖特公司(Schott)等企業把握600 mm以上口徑產品的批量生產技術。此類企業憑借其在分歧系列資料所表現出的優異光學均勻性(折射率波動極低)、極低熱膨脹系數和極低羥基含量等特點,已成為各類光學系統中關鍵光學元件的焦點基材。

以低羥基、高光學均勻性、高透過率、低殘余應力的高真個石英玻璃資料為例,其生產工藝復雜,制備技術難度年夜。雖然理論上有3種低羥基石英玻璃可研制工藝(間接法、PCVD直接法、分解石英砂電熔法),但今朝只要american、japan(日本)、德國等少數國家把握穩定批量生產技術,且均采用VAD(軸向氣相沉積法)間接法氣相分解技術,其重要機能指標如表1所示。

國內傳統石英廠家以直接法CVD(化學氣相沉積法)生產工藝技術為主,受限于工藝機理,石英產品的純度的晉陞存在難度,同時其反應機理決定了其產品羥基含量較高,年夜尺寸低羥基石英玻璃今朝還重要依賴進口。

超緊密成形技術

典範光學元件具有曲面形狀復雜、高陡度、變曲率、資料硬脆,以及高面形精度、高概況質量、強抗激光輻照損傷等制造請求,元件需求采用緊密/超緊密磨削—超緊密拋光的復合工藝鏈方式進行制造,磨削加工能夠高效往除資料并保證元件面形精度,而拋光加工能夠獲得納米級概況粗拙度并打消磨削亞表層損傷層。

超緊密磨削是磨削概況形狀精度<1.0 μm、表面粗糙度Ra < 25 nm、亞表面損傷深度接近于零的加工方法,主要面向硬脆材料的精密超精密加工。在硬脆光學元件超精密磨削方面,國外以德國不萊梅大學、英國克蘭菲爾德大學為代表的高校,以英國克朗菲爾精密工程公司(Cranfield Precision),美國慕爾工業公司(Moore)、普瑞思泰克有限公司(Precitech),日本長瀨產業株式會社(Nagasei),德國施耐德光學機械公司(Schneider)及薩特隆公司(Satisloh)、聯合磨削集團(United Grinding)等為代表的超精密及精密磨削機床公司對超精密磨削加工工藝及超精密磨削機床進行了系統全面的研究,并成功應用于直徑達數米的天文望遠鏡子鏡、尺寸數百毫米的紅外光學透鏡及自由曲面、尺寸數十毫米的微透鏡陣列微結構功能表面等一系列超精密光學元件的加工,能夠獲得亞微米級面形精度及納米級表面粗糙度。國內以哈爾濱工業大學、湖南大學、大連理工大學等為代表的高校及中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(簡稱“長春光機所”)、中國航天科技集團有限公司第五研究院第五包養網〇八研討所(簡稱“航天508所”)、中國科學院光電技術研討所(簡稱“成都光電所”)等為代表的研討所都對光學元件等硬脆資料超緊密元件的制造進行了系統研討并勝利應用于導彈整流罩加工、硅片磨削、年夜尺寸碳化硅地理看遠鏡反射鏡及多種尺寸、分歧資料的光學元件加工。光學元件的超緊密磨削成形需求實現光學效能概況面形精度、概況質量、緊密磨削形變的協同把持,今朝國內內在超緊密磨削工藝、缺點把持、低應力形變成形等方面都存在較年夜差距。

超緊密拋光技術

對于光學元件的復雜結構、高陡度、變曲率等特點,請求形位精度達到亞微米級,全頻段誤差達到納米級,近無(亞)概況缺點,超緊密加工難度極年夜。普通地,元件采用氣囊/射流拋光技術現實現器件磨削破壞層的疾速往除及概況光潔度的疾速晉陞,并且堅持磨削后的初始輪廓精度;磁流變/離子束拋光實現概況面形誤差的高精度修形,尤其是低中頻誤差修改;小東西拋光在保形拋光條件下實現光滑概況的碎帶誤差,使得面形誤差光滑可修。超緊密拋光重要存在的挑戰是結構約束下光學元件概況及亞概況缺點把持和全概況輪廓全頻段納米精度確定性把持。

針對光學元件的超緊密拋光,國外研制了所需求的焦點裝備,從設備效能和機能上,基礎上能滿足拋光需求。例如,以american普瑞泰克國際無限公司(QED Technologies International Inc.)、德國NTG新技術無限公司(NTG Neue Technologien GmbH)、英國澤科無限公司(Zeeko Ltd)、americanOPTIMAX控股無限公司(Optimax Systems Inc.)等公司,研制了國際最先進的磁流變拋光設備、離子束拋光設備、氣囊/射流拋光設備和小東西設備,具有較高的復雜曲面光學元件加工精度。國內多家單位同時也在開展復雜曲面超緊密拋光設備研發,但是受國外進口限制,國內設備研制與國外先進程度有必定差距。在磁流變拋光裝備方面,存在小型磁流變拋光頭效力低、穩定性差、曲面加工往除函數畸變嚴重、曲面傾角加工范圍不夠年夜等問題;在離子束拋光裝備方面,存在小束斑調控和雜質濺射淨化的問題;在射流拋光裝備方面,存在往除效力低、穩定性和靠得住性不高級問題。

此外,光學元件復合拋光工藝技術應用廣泛,成都光電所、長春景機所等研討院所,國內優秀企業如長光集智光學科技無限公司、北京國看光學科技無限公司等都應用多類型拋光手腕實現非球面光學元件的納米級精度制造,典範器件如光刻物鏡等制造精度RMS可達2 nm以下。未來需求聚焦影響元件機能的關鍵精度、完全性特徵,霸佔單項拋光工藝關鍵技術,基于多指標協同把持優化復合加工工藝,進步光學元件拋光精度、確定性,縮短制造周期,滿足系統對光學元件的批量制造需求。

超緊密檢測技術

光學元件質量直接影響整個光學系統的效力及穩定性,為了保證光學元件在實際應用過程中的機能達標與高靠得住性,針對光學元件的超緊密檢測技術至關主要。光學元件緊密檢測技術重要分為2個方面:面向元件自己制造指標檢測技術,如幾何量檢測、面形檢測、缺點檢測等;面向元件應用機能指標的檢測技術,如損傷機能檢測、環境適應性檢測等。

隨著光學制造行業自己多年的發展,面向元件制造指標的檢測技術的檢測體系很是成熟,國內外都有眾多的檢測標準及案例可控參考。在元件曲率半徑、離軸量、偏疼等幾何量檢測方面,重要采用接觸式三坐標機、輪廓儀及非接觸式光學輪廓儀進行檢測,檢測精度可達到幾十微米量級。在面形檢測方面,干預儀是今朝公認的檢測精度最高的檢測方式,今朝中低頻面形誤差重要是用菲索型干預儀進行檢測,精度可達到納米量級,高頻誤差則應用白光干預儀進行檢測,辨別率能夠達到0.1 nm。隨著光學系統設計請求慢慢進步,越來越多的復雜曲面元件被應用于光學系統,針對復雜曲面檢測常規干預檢測方式面臨檢測理論不完美、檢測通用性差、缺少認可標準等問題,而新型的光學非接觸式輪廓儀雖然對各類曲面有較強的通用性,但仍面臨檢測精度缺乏的問題。

在元件應用機能指標檢測方面,損傷機能的檢測請求對光學元件概況缺點檢測靈敏度要達到亞微米量級,對元件亞概況缺點、體缺點及資料接收性缺點等也提出了新的需求。現出缺陷檢測不論是國際還是國內標準,仍著重于目視檢測,存在檢測靈敏度差、重復性缺乏、漏檢率高、效力高等問題。若何實現多類型缺點的多模態、高精度、高效力檢測,是光學元件檢測面臨的一年夜挑戰。

綜合來看,光學元件檢測技術不僅需求完成面形、幾何量等常規指標檢測,還因其應用請求,對其缺點、損傷測試提出了更高請求,必定需求在超緊密檢測環節上有新技術、道理及方式衝破,最終實現面向應用機能檢測,助力光學系統質量進一個步驟進步。

超緊密概況處理技術

光學元件概況處理技術重要指的是概況超緊密鍍膜技術。光學概況必須鍍制特別設計的激光薄膜如增透膜、減反膜、分光膜等,才幹在光學系統中應用。

以應用于激光核聚變的激光薄膜為例,根據光源性質、損傷機理的分歧,激光薄膜年夜致分為2類:脈沖激光薄膜與連續激光薄膜。對于脈沖激光薄膜,國內外主流技術計劃是采用電子束共蒸發技術,通過電子束加熱、蒸發膜料使其沉積在待鍍膜基底上,應用多蒸發源即可實現復合膜層的制備。中國科學院上海光學緊密機械研討所(簡稱“上海光機所”)激光薄膜團隊勝利制備出尺寸為810 mm×430 mm×90 mm、p偏振光透射率高于98%、消光比優于100∶1、激光損傷閾值高于14 J/cm2(波長1 063 nm,脈寬5 ns)、反射波面峰谷值(PV)優于0.7λ、透射波面PV優于λ/3的偏振薄膜元件,實現了我國年夜尺寸激光偏振薄膜從無到有的衝破。同濟年夜學也將復合薄膜運用于水冷窗口,實現很是規環境中脈沖激光的高損傷閾值。成都光電所2000年前后在相關項目支撐下展開年夜口徑激光薄膜的研討,通過技術的更換新的資料、迭代,采用電子束蒸鍍技術制備的納秒脈沖激光反射薄膜具有高均勻性、高反射率、高損傷閾值和高面形適應性等特點,勝利應用在中國工程物理研討院、中國科學院理化技術研討所等單位年夜型激光項目標自適應光學分系統中,經系統實驗驗證激光薄膜的近紅外年夜光斑損傷閾值在70 J/cm2以上。對于連續激光薄膜,薄膜的損傷閾值與接收有著較為親密的關系,為下降光學薄膜及光學元器件接收需求晉陞激光薄膜的反射率和概況滑膩水平,為此濺射計劃成為重要手腕。法國LMA實驗室從2008年開始研討在氧化鉭膜層中摻鈦的技術路線,在2017年的公開報道了直徑350 mm的1 064 nm反射鏡小批量生產,最好的薄膜接收0.3 ppm以下,運用在了激光干預引力波地理臺(LIGO)系統中。在國內上海光機所、同濟年夜學、中國科學院年夜連化學物理研討所等單位先后公開報道采用離子束濺射技術計劃能將用于連續激光的薄膜接收降至1 ppm以下。

已有研討任務與存在問題

已有研討任務

國內在年夜尺寸光學元件及系統的制造上重要研制單位包含長春景機所、成都光電所、上海光機所、中國科學院南京地理光學技術研討所、中國工程物理研討院、航天科技集團等,但該類產品在與國外產品指標上仍然存在不少差距。長春景機所研制口徑為2.05 m的中國巡天空間看遠鏡(CSST)主鏡,面密度僅為85.3 kg/m2,且長春景機所初次在年夜型光學系統中應用了基于計算機把持光學概況成型技術(CCOS)的異質軸東西來克制邊緣效應,并在φ1.5 m的拋物面反射鏡上進行精細拋光,獲得反射鏡全孔徑面形優于λ/50 @632.8 nm,中頻面形優于0.64 μrad(有用孔徑)。中國科學院光電技術研討地點國內率先開展年夜型反射鏡應力盤技術研討,聚焦地基看遠鏡光學系統制造,實現4 m非球面反射鏡的研制。

針對年夜口徑光學元件特點,同濟年夜學緊密光學工程技術研討所開展了鍍膜工藝優化研討,通過退火及摻氫等工藝有用將非晶硅膜的消光系數晉陞16倍(@1 064 nm),同時下降機械損耗;在超紫外射線(XUV)高精度薄膜光學系統方面,也構建了新的膜層反射與散射的理論模子,實現了XUV反射鏡加工,完成了從車削、拋光再到精確定形,所研制的240—500 mm單晶硅立體反射鏡面精度形達1.2 nm。

存在的問題

國內先進光學制造技術與國外先進程度的差距重要體現在焦點技術、關鍵裝備、資料工藝及產業鏈協劃一多個維度。

技術研討程度缺乏。國內在資料研制與制造層面基礎性、機感性研討技術程度缺乏,與國際先進程度有顯著差距。面向全頻段誤差把持的關鍵技術缺少理論指導,一方面單項技術的衝破存在瓶頸,另一方面在多項技術之間的技術壁壘導致系統性的跨標準誤差耦公道論模子尚未構成,具體表現為智能工藝優化才能單薄,以及面向極端工況的加工穩定性難以保證等方面。此外,國內對原子級拋光的微觀往除機制(如量子力學感化、概況原子遷移規律)研討仍逗留在實驗觀測階段,缺少分子動力學模擬等理論東西支撐,這制約了國內拋光技術從極限精度、極限概況質量向原子級制造的跨越式發展。

裝備程度缺乏。國內許多高端設備依賴進口,如高精度光學加工設備、檢測設備及鍍膜設備等。這不僅增添了研制本錢,還限制了國內自立研制才能的晉陞。以年夜口徑反射鏡為例,american勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)采用的LODTM立式車床可實現1.65 m工件的納米級加工(<10 nm),而國產設備在關鍵性能上存在顯著差距,且連續工作數小時后精度漂移顯著。檢測設備主要依賴于歐美幾家公司,如美國Zygo公司的干涉儀測量重復精度可以達到60 pm,部分在售產品的絕對測量精度優于1 nm,目前國際范圍內精密光學元件與系統的交付普遍認可該公司產品的檢測結果。鍍膜設備同樣以德國布勒萊寶公司的系列鍍膜機、日本光馳公司的系列鍍膜機為主的產品代表了行業的先進水準。以上3類設備,雖然國內都有相關廠商生產、研制類似產品,但核心部件國產化率低且技術水平仍然具有較大差距,制造設備所能加工達到的極限精度與國外同類產品仍有一定差距,同時國產檢測設備所能實現的重復測量和絕對測量精度都顯著弱于國外同類產品。

產學研結合不夠緊密。產學研結合不夠緊密,許多高校和科研院所的科研結果往往逗留在實驗室階段,高校前沿研討與企業工程化需求存在技術斷層而無法實現產業化,進而導致結果轉化效能低下。國內企業參與度較低,導致市場需求與科研標的目的脫節,尚未構成“基礎研討—技術開發—產業化”的閉環創新鏈,缺少像american“國家制造創新網絡”(NNMI)那樣的產學研協同平臺,制約了技術結果的工程化應用。比擬較于產品全周期研制過程,金融機構往往參與和參與的較晚,沒無形成“投早投小”金融氛圍。

下一個步驟任務建議

為了盡快趕超國外先進技術程度,建議從以下5個方面進行先進光學元件產業升級和“洽商”關鍵技術攻關。

加強頂層設計與政策支撐。國家應出臺相關專項發展規劃,明確未來5—10年的發展目標和重點任務,設立專項資金,支撐關鍵技術研發和產業化。資金應重點投向資料研發、裝備制造、工藝優化等焦點環節,確保關鍵技術的衝破。樹立以年夜學科、年夜領域為主題的多學科穿插融會的新型研發機構,在體系規劃上摒棄傳統的單一學科為主的科研單位,從體制上為從基礎研討到工程應用的融會貫通創造條件。

衝破關鍵資料與焦點技術。光學基材領域與國外先進程度存在顯著差距,重要體現在資料純度、光學均勻性、熱穩定性等關鍵指標上。例如,國外高端光學玻璃(如德國肖特公司、japan(日本)小原公司等)已實現納米級均勻性和超高透光率,而國內產品在雜質把持、折射率分歧性等方面仍有顯著缺乏。應加強高純度原資料研發,衝破關鍵資料制備技術瓶頸。引進并自立研發高精度熔煉、成型和檢測設備,晉陞制造工藝程度。通過以上辦法,慢慢縮小與國外差距,實現光學基材的機能晉陞和自立可控。

晉陞裝備制造才能。自立研發高端設備,針對高精度光學加工設備、鍍膜設備、檢測設備等,設立專項攻關項目,集中氣力衝破關鍵技術。推動設備國產化替換,制訂設備國產化替換計劃,優先采購國產設備,慢慢減少對進口設備的依賴。推動設備升級盡快實現跟跑狀態,實現裝備制造才能晉陞,如亞概況損傷克制、缺點敏感鍍膜、跨標準檢測、極高潔凈度把持等均要向頂尖程度發展。制訂國產光學設備行業標準(如對標ISO國際標準),推動設備焦點模塊(如光學鏡頭、激光器)接口通用化,下降替換門檻。

優化工藝與技術標準。針對光學元件的超緊密加工,開展工藝優化研討,樹立標準化工藝流程,進步產品的分歧性和靠得住性。組織行業專家制訂光學元件的技術標準,涵蓋資料機能、加工工藝、檢測方式、概況處理等方面,推動行業規范化發展,盡快在國內樹立一套可應用于先進光學超緊密制造行業的評價方式和評價體系。

加強產學研結合與結果轉化。鼓勵高校、科研院所與企業共建聯合實驗室或研發中間,聚焦光學元件的關鍵技術研發和產業化。支撐龍頭企業牽頭組建創新聯合體,整合高低游資源,開展協同攻關。鼓勵科研人員參與企業技術研發,促進技術與市場的緊密結合。鼓勵金融機構在晚期參與到結果轉化進程中來。

總結與瞻望

先進光學超緊密制造技術是現代緊密工業的焦點支柱,其技術程度直接決定了國家高端制造才能的下限與應用廣度。當前,我國在該領域已獲得階段性進展,如神光Ⅱ升級裝置的勝利運行、年夜口徑激光偏振薄膜的自立衝破,以及復雜曲面元件超緊密拋光工藝的勝利應用,展現了國內科研團隊的技術積累與創新才能。但是,與國際頂尖程度比擬,我國在關鍵資料制備、高端裝備研發、全頻段誤差把持、缺點動力學研討等方面仍存在顯著差距。以低羥基石英玻璃、年夜口徑反射鏡制造為代表的“洽商”技術,以及檢測設備、鍍膜工藝設備對進口的高度依賴,嚴重制約了先進光學系統的自立可控發展。此外,產學研協同缺乏、工藝標準化滯后、跨學科人才缺乏等問題,進一個步驟加劇了技術轉化與產業升級的難度。

為衝破上述瓶頸,需從多維度構建系統性解決計劃。在戰略層面,應強化頂層設計,制訂專項發展規劃,加年夜資金與政策傾斜,推動基礎研討與工程應用的深度融會。在焦點技術攻關上,需聚焦高純度資料分解、超緊密加工裝備國產化、多頻段協同制造工藝等標的目的,衝破資料均勻性、損傷閾值、裝備精度等焦點指標限制。同時,應加快構建覆蓋“資料—工藝—檢測—退役”全鏈條的技術標準體系,推動工藝優化與缺點把持的標準化、智能化。在協同創新方面,需深化產學研一起配合機制,依托新型研發機構包養整合跨學科資源,促進高校、院所與企業的技術共享與結果轉化,構成“需求牽引—技術衝破—產業落地”的良性循環。

瞻望未來,隨著新資料、新工藝、智能裝備等技術的迭代衝破,先進光學超緊密制造技術將邁向更高精度、更低損傷、更強穩定性的新階段。通過全產業鏈的協同盡力,我國無望在光學資料生長、非接觸能場加工、跨標準缺點檢測等關鍵領域實現彎道超車,慢慢縮小與美、德等國的技術代差。最終,通過技術自立化與產業升級,推動我國光學系統在激光核聚變、空間對地觀測、深空探測、極紫外光刻等戰略領域發揮更高文用,為全球光電技術的發展貢獻中國聰明與中國計劃。

(作者:張鑫、張瀛懷、張斌智、陳太喜,季華實驗室;海闊、張云飛、臧仲明、曾鵬、吳明濤、李凱隆,中國工程物理研討院機械制造工藝研討所;李資政,中山年夜學物理與地理學院;閆力松,華中科技年夜學光學與電子信息學院;錢宜剛,中天科技無限公司;焦宏飛,同濟年夜學物文科包養網價錢學與工程學院。《中國科學院院刊》供稿)


留言

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *