光学元件亚表面残余应力三维分布测量方法研究

The non-contact, high-precision measurement of the three-dimensional residual stress in the sub-surface layer is very important to improve the processing efficiency and the quality of optical components. This project focuses on two key problems. One is the three-dimensional refractive index distribution measurement and reconstruction method of optical materials under residual stress state, and the other is the three-dimensional stress field reconstruction model establishment method. By combining with digital holographic microscopy and photoelasticity, this project is proposed to study on the principle and method of non-contact extraction of residual stress, three-dimensional refractive index distribution inversion algorithm, three-dimensional stress field reconstruction method, three-dimensional residual stress distribution experimental measurement system and the measurement accuracy analysis. The objective of this project is to build a non-contact, high-precision and three-dimensional distribution measurement method and experimental system for the measurement of residual stress in the sub-surface layer of optical components. The purpose of the project is clear and targeted, which can open up a new way to study the three-dimensional distribution of residual stress. The research results have important scientific significance and application reference value for the preparation of high quality optical components, especially for optical components in high power laser systems.

实现光学元件亚表面残余应力分布测量，尤其是三维应力场的非接触、高精度测量，对于改善光学元件加工效率，提高光学元件加工质量具有重要意义。本项目围绕“残余应力状态下光学材料三维折射率分布测量与反演”和“三维应力场模型构建方法”两大关键问题展开，在结合数字全息显微层析技术和光弹性技术基础上，深入开展光学材料残余应力分布信息的非接触式提取原理与方法，三维折射率分布反演算法，三维应力场重构方法，以及残余应力三维分布测量实验系统构建和测量精度分析研究，最终建立一套层状光学元件亚表面残余应力的非接触、高精度和三维分布测量方法与实验系统。项目研究目的明确，可为光学材料亚表面残余应力的三维分布测量研究开辟一条新的途径，研究成果对于高质量光学元件，特别是面向高功率激光系统应用的光学元件的加工制备具有重要的科学意义与应用参考价值。

实现光学元件亚表面残余应力分布测量，尤其是三维应力场的非接触、高精度测量，对于改善光学元件加工效率，提高光学元件加工质量具有重要意义。本项目围绕“残余应力状态下光学材料三维折射率分布测量与重建方法”和“三维应力场模型构建方法”两大关键问题展开，所完成的主要研究内容包括：. （1）基于数字全息术的光学元件二维应力信息提取方法研究与实验系统构建. 针对光学材料的各向异性特性，理论分析了残余应力场引起材料双折射效应的物理机制并构建了残余应力场分布的理论模型；设计完成数字全息显微成像光学系统，成功实现了多方向多偏振态物光波信息的全息记录和物光场偏振态反演，进一步结合物光场偏振态的变化和平面应力-光性定律，成功获得光学元件二维应力信息。. （2）基于数字全息术的样品轴向应力信息提取方法研究与实验系统构建. 针对残余应力状态下光学材料的三维应力模型，理论分析了光学元件沿轴向应力分布规律，构建了共光路数字全息显微系统，并实验研究了轴向应力引起的光学材料折射率变化。 . （3）三维折射率分布反演计算方法及三维应力场重构. 建立了基于应力-光性定律的菲涅耳折射率椭球与柯西应力椭球之间的定量关系和应力光学系数计算方法；研究了反投影重建方法和迭代重建方法，实现了三维折射率场的反演计算和基于深度学习的稀疏角度下三维折射率场的层析重构；基于物光场准确记录反演的测量需求，研究了基于深度学习全息图快速重构算法；进一步拓展了相关方法在生物细胞测量等领域的应用。. 项目执行期内，共发表学术论文26篇，国内外学术会议交流17次，申请发明专利6项，培养研究生11名。. 项目可为光学材料内部应力的三维分布测量提供一定的借鉴意义，研究成果对于高质量光学元件，特别是面向高功率激光系统应用的光学元件的加工制备具有一定的科学意义与应用参考价值。