米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法

《米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法》是中國科學院上海光學精密機械研究所於2015年7月13日申請的專利，該專利的公布號為CN105182459A，授權公布日為2015年12月23日，發明人是魏朝陽、邵建達、徐學科、易葵、顧昊金、程鑫。

一種米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法，該發明方法通過磁流變拋光與保形光順拋光結合，可以有效的控制米級大口徑偏振片的加工精度，製造出在高功率雷射系統中全頻段指標達標的米級大口徑偏振片元件，透反兩面具體指標如下：PV≤λ/3，GRMS≤7納米/厘米，PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米。

2020年7月14日，《米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。

基本介紹

• 中文名：米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法
• 申請人：中國科學院上海光學精密機械研究所
• 申請日：2015年7月13日
• 申請號：201510407906X
• 公布號：CN105182459A
• 公布日：2015年12月23日
• 發明人：魏朝陽、邵建達、徐學科、易葵、顧昊金、程鑫
• 地址：上海市嘉定區上海市800－211郵政信箱
• Int. Cl.：G02B5/30(2006.01)I; B24B1/00(2006.01)I
• 代理機構：上海新天專利代理有限公司
• 代理人：張澤純、張寧展
• 類別：發明專利

專利背景

在高功率雷射系統中，為獲得理想的光束聚焦質量，精密光學元件面形誤差不僅需達到良好的低頻面形精度、表面質量及超光滑的表面粗糙度指標，同時還需滿足極為嚴格的中頻波前誤差要求，即波前誤差要求是全頻段的。根據不同頻段誤差對光學性能的影響，NIF中的光學元件面形誤差被劃分為三個空間頻段：低頻段（誤差空間周期長度L>33毫米），中頻段（33毫米≥L≥0.12毫米），高頻段（誤差空間周期長度L<0.12毫米）分別達到相應的指標要求。

低頻誤差來源於系統裝調和鏡面因製造殘留的緩變誤差，一般描述為系統的波像差，低頻誤差會影響聚焦光斑的能量集中度和焦面光強分布，最終影響多路雷射合成光斑的直徑；表面中頻誤差將導致光束的高頻調製以及系統非線性增長，從而造成元件絲狀破壞，降低系統光束的可聚焦功率。高頻誤差已對系統光束質量沒有影響，主要因為實際製造過程中，這一頻段的誤差含量相對較小，並且不影響焦點處能量分布形式。但是，這一頻段誤差在表面覆膜後不會被掩蓋，強雷射轟擊下，會降低薄膜的損傷閾值，同時增加光束的散射損耗。

偏振片元件配合電光開關在高功率雷射驅動器系統中起光開關或光隔離，抑制寄生振盪作用，是ICF雷射驅動器中的關鍵元件之一。偏振片基板的加工難度來自於大尺寸、超長寬比，且同時具有反射和透射全頻段高精度的要求，可以說米級大口徑偏振片是ICF雷射驅動器中口徑最大，加工難度最高的白玻璃平面光學元件。

針對米級大口徑偏振片元件的加工，由於環形連續拋光技術具有優異的中高頻誤差控制以及可以實現多工位批量化的加工能力，環形拋光技術成為高精度大口徑平面元件加工的主要技術途徑之一。但中國國內在環形拋光技術方面與國際先進水平的差距明顯，利用已有環形拋光技術還不能夠實現高精度米級偏振片元件的高精度製造。這是由於一方面，同圓形元件相比，矩形元件的環形拋光加工具有明顯的邊緣效應，特別是該效應易在四個角的位置發生。另一方面，對於大口徑光學元件的環形拋光加工過程來說，即使拋光碟的轉速很小，由於工件本身的大尺寸和校正盤的自重，摩擦產生的熱量容易積聚，對面形的控制帶來十分嚴重的負面影響。此外，更為重要的是中國國內能夠獲得的用於偏振片元件的UBK7材料均勻性最好才達到3ppm，而偏振片元件的厚度大於90毫米，由於均勻性引起的透射波前誤差已大於λ/3（λ＝632.8納米）要求，利用環形拋光加工技術理論上就不可能實現透射波前的加工要求。

以計算機控制為核心的小工具拋光技術如小磨頭拋光技術、磁流變拋光技術和離子束拋光技術等，由於具有局部面形修正的能力，可以很好的克服材料折射率非均勻性問題，實現高精度的低頻段的反射和透射面形加工，但是由於數控小工具拋光技術使用了比工件尺寸小的多的磨頭，在工件表面會產生小尺度的中頻波紋度問題，從而導致所加工的表面中頻段誤差難以達到要求。因此，單獨採用環形拋光或數控小工具的加工方式都無法實現米級大口徑偏振片全頻段指標滿足要求。

發明內容

專利目的

《米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法》提供一種米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法，該方法將磁流變拋光技術與保形光順相結合，實現了對米級大口徑偏振片的全頻段面形高精度加工。

技術方案

《米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法》的技術解決方案如下：

一種米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法，其特點在於該方法包括下列步驟：

1）、反射面磁流變拋光：利用NUBULA-UPF-60磁流變拋光工具機拋光大口徑偏振片反射面，利用300毫米口徑干涉儀檢測拋光後的反射面，當反射面面形精度達到0.3λ-0.2λ，GRMS達到λ/90/厘米-λ/120/厘米時，進入下一步反射面加工；

2）、反射面保形光順：利用陪拋片（相同尺寸的偏振片）對2.4米環拋機進行校正，通過溫度計控制環境溫度在20±2℃範圍，利用2.4米環拋機對陪拋片進行拋光，通過300毫米口徑干涉儀檢測陪拋片的面形，當面形大於0.25λ時，繼續拋光；當面形小於0.25λ時，即校正完畢。校正完畢後，立即取下陪拋片，將大口徑偏振片放至與取下的陪拋片相同的位置，對反射面進行拋光，當反射面中高頻誤差PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米時，則反射面加工完畢，進入透射面加工；

3）、透射面磁流變拋光：利用NUBULA-UPF-60磁流變拋光工具機拋光大口徑偏振片透射面，利用300毫米口徑干涉儀檢測拋光後的透射面，當透射面面形精度達到0.3λ-0.2λ，GRMS達到λ/90/厘米-λ/120/厘米時，進入下一步透射面加工；

4）、透射面保形光順：利用陪拋片（相同尺寸的偏振片）對2.4米環拋機進行校正，通過溫度計控制環境溫度在20±2℃範圍，利用2.4米環拋機對陪拋片進行拋光，通過300毫米口徑干涉儀檢測陪拋片的面形，當面形大於0.25λ時，繼續拋光；當面形小於0.25λ時，即校正完畢，立即取下陪拋片，將大口徑偏振片放至與取下的陪拋片相同的位置，對透射面進行拋光，當透射面中高頻誤差PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米時，則透射面加工完畢。

技術效果

《米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法》結合磁流變拋光技術與保形光順技術，可以有效的控制米級大口徑偏振片的加工精度，製造出在高功率雷射系統中透反兩面全頻段指標達標的米級大口徑偏振片元件：PV≤λ/3，GRMS≤7納米/厘米，PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米。

技術領域

《米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法》屬於光學元件加工，特別是一種米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法。

權利要求

1.一種米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法，其特徵在於該方法包括下列步驟：

1）、反射面磁流變拋光：利用NUBULA-UPF-60磁流變拋光工具機拋光大口徑偏振片的反射面，利用300毫米口徑干涉儀檢測拋光後的反射面，當反射面面形精度達到0.3λ-0.2λ，GRMS達到λ/90/厘米-λ/120/厘米時，進入下一步反射面加工；

2）、反射面保形光順：利用陪拋片對2.4米環拋機進行校正，通過溫度計控制環境溫度在20±2℃範圍，利用2.4米環拋機對陪拋片進行拋光，通過300毫米口徑干涉儀檢測陪拋片的面形，當面形大於0.25λ時，繼續拋光；當面形小於0.25λ時，即校正完畢，立即取下陪拋片，將大口徑偏振片放至與取下的陪拋片相同的位置，對反射面進行拋光，當反射面中高頻誤差PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米時，則反射面加工完畢；

3）、透射面磁流變拋光：利用NUBULA-UPF-60磁流變拋光工具機拋光大口徑偏振片的透射面，利用300毫米口徑干涉儀檢測拋光後的透射面，當透射面面形精度達到0.3λ-0.2λ，GRMS達到λ/90/厘米-λ/120/厘米時，進入下一步透射面加工；

4）、透射面保形光順：利用陪拋片對2.4米環拋機進行校正，通過溫度計控制環境溫度在20±2℃範圍，利用2.4米環拋機對陪拋片進行拋光，通過300毫米口徑干涉儀檢測陪拋片的面形，當面形大於0.25λ時，繼續拋光；當面形小於0.25λ時，即校正完畢，立即取下陪拋片，將大口徑偏振片放至與取下的陪拋片相同的位置，對透射面進行拋光，當透射面中高頻誤差PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米時，則透射面加工完畢；

5）結束。

實施方式

實施例1

一種米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法，加工對象是一片810毫米×430毫米×107毫米的偏振片基板，初始反射面形精度為0.6λ（λ＝632.8納米），初始透射面形精度為1.3λ（λ＝632.8納米），該方法包括下列步驟：

1）、反射面磁流變拋光：利用NUBULA-UPF-60磁流變拋光工具機拋光大口徑偏振片反射面，利用300毫米口徑干涉儀檢測拋光後的反射面，當反射面面形精度達到0.2λ，GRMS為λ/120/厘米時，進入下一步反射面加工；

2）、反射面保形光順：利用陪拋片（相同尺寸的偏振片）對2.4米環拋機進行校正，通過溫度計控制環境溫度在20±2℃範圍，利用2.4米環拋機對陪拋片進行拋光，通過300毫米口徑干涉儀檢測陪拋片的面形，當面形大於0.25λ時，繼續拋光；當面形小於0.25λ時，即校正完畢。校正完畢後，立即取下陪拋片，將大口徑偏振片放至與取下的陪拋片相同的位置，對反射面進行拋光，當反射面中高頻誤差PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米時，則反射面加工完畢，進入透射面加工；

3）、透射面磁流變拋光：利用NUBULA-UPF-60磁流變拋光工具機拋光大口徑偏振片透射面，利用300毫米口徑干涉儀檢測拋光後的透射面，當透射面面形精度達到0.2λ，GRMS達到λ/120/厘米時，進入下一步透射面加工；

4）、透射面保形光順：利用陪拋片（相同尺寸的偏振片）對2.4米環拋機進行校正，通過溫度計控制環境溫度在20±2℃範圍，利用2.4米環拋機對陪拋片進行拋光，通過300毫米口徑干涉儀檢測陪拋片的面形，當面形大於0.25λ時，繼續拋光；當面形小於0.25λ時，即校正完畢。校正完畢後，立即取下陪拋片，將大口徑偏振片放至與取下的陪拋片相同的位置，對透射面進行拋光，當透射面中高頻誤差PSD1RMS≤1.8納米，PSD2RMS≤1.1納米，表面粗糙度≤1納米時，則透射面加工完畢。

製造出的米級大口徑偏振片元件透射面PV為0.3λ，反射面PV為0.19λ，GRMS為6.8納米/厘米，PSD1RMS為1.76納米，PSD2RMS為0.97納米，表面粗糙度為1納米，全頻段指標符合高功率雷射系統要求。

榮譽表彰

2020年7月14日，《米級大口徑偏振片全頻段面形加工方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。