连续相位元件纳米精度可控柔体制造理论与评价方法研究

惯性约束聚变系统是现代光学技术的发展前沿和国家重大战略需求，开展连续相位元件高效、高精度制造技术研究适应上述发展需求，具有重要战略和科学意义。连续相位元件是惯约系统中光束控制和焦斑整形的关键，对系统整体性能影响显著。但此类元件表面具有三维微结构、面形复杂、面形梯度大、相位单元几何轮廓和相互位置关系精度要求高，难于加工和评价，因此，需要采用具有纳米精度可控去除分辨率、面形梯度自适应性和精确控形能力的加工方法和高精度、高横向分辨率的测量方法。本项目基于磁流变抛光和子孔径拼接技术，通过研究纳米精度成形机理，量化评价去除函数修形能力，优化抛光工具结构参数、加工路径和驻留时间实现方式，有效补偿了时变工况激励下由加工装备几何精度和动态性能引入的加工误差，并基于迭代最近点算法快速精确匹配测量面形和设计面形，从而实现连续相位元件的纳米精度控形制造，为该类元件的推广应用和我国高能激光装置研制提供技术支撑。

连续相位元件表面具有三维微结构、面形变化梯度大、高度方向要求纳米级精度等特点。本项目结合可控柔体加工和子孔径拼接技术，重点研究纳米精度成形机理、磁流变加工适应性和小尺度三维微结构多自由度快速精确匹配与评价方法。引入去除函数修形能力量化评价指标，分析连续相位元件纳米精度成形机理，建立不同特征尺寸三维微结构成形精度与可控柔体抛光工具结构参数、加工路径之间的数学模型，对磁流变抛光工艺进行优化。提出基于运动系统动态性能的驻留时间实现方法，通过补偿时变工况激励下由加工装备几何精度和动态性能引入的加工误差，在满足连续相位元件每个相位单元几何轮廓高精度加工的同时，精确控制其位置分布关系。针对该元件面形复杂、测量结果不能直接用于确定性修形的难题，基于迭代最近点算法，提出直接计算离散点集之间距离的新方法，避免大量计算点到曲面的距离，提高了计算效率，能够在6维位相空间上进行高效率非线性优化，交替迭代收敛到最优位形，实现连续相位元件测量面形与设计面形之间的快速精确匹配与评价。根据研究结果，加工完成400mm口径的CPP样件一片，全口径匹配RMS达到18.4nm。