基于数字全息分层成像的光学元件亚表面残余应力的三维测量技术研究

During the grinding and ablation processing, the subsurface residual stress will take place due to the generated plastic deformation of the material and the micro-cracks in the vicinity of the optical surface, which will directly reduce the broken strength and the subsurface hardness of the optical elements, the quality of the coated film, the accuracy of the surface profile and the transmission function. Accurate 3D measurement of the subsurface residual stress is important for understanding the underline physics of the generation of residual stress, the difference of the influence of the polishing methods adopted and the improvement of the processing technique. However, since the subsurface residual stress only takes place within 100 um beneath the subsurface and has a thin micro-cracks filled layer on above, there is still no ideal tool to measure its 3D distribution. In this proposal, the depth resolved digital holographic imaging method is adopted to slice the subsurface layer of the optical element into many “optical slice” and measure their phase retardation according to both “o” and the “e” lights, and then the residual stress in each layer can be calculated, realizing 3D residual stress measurement. This proposed technique will not cause any damage on the optical element and has high resolution, fast speed, high accuracy and simple setup, and accordingly all the difficulties faced by traditional measurement techniques are all completely removed.

在磨削和抛光加工过程中，由于塑性形变以及微观断裂的发生，光学元件亚表面区域会产生残余应力，直接影响光学元件的断裂强度、表面硬度，同时降低光学元件镀膜质量、面形精度和光学透射函数精度。亚表面三维应力分布的精确测量，对分析亚表面应力发生机理、研究不同加工方法对亚表面应力的影响及改进加工工艺等都有重要意义，但由于亚表面应力仅仅发生在元件表面约100微米深度的区域附近，且上面有一层微裂纹层覆盖，一直缺乏理想的方法对其进行精确三维测量。利用课题组所研究的数字全息分层成像技术，本项目提出在显微放大的基础上将被测量元件表面分成多层“光学切片”，同时测量出每层的o光和e光相位分布，并在此基础上计算出每层的应力分布，从而实现残余应力的三维测量。本方法不会对元件造成任何损伤，具有分辨率高、精度高、速度快和设备简单等诸多优点，彻底解决传统方法在亚表面残余应力测量中所面临的各种困难。

1. 项目背景。本项目是和中国工程物理研究院的联合基金的培育项目，初始项目指南是要解决光学加工过程中产生的元件亚表面应力三维测量问题，项目立项后工程物理研究院根据实际需要对研究方向进行了微调，改为对光学元件表面受光激光损伤所产生的应力和修复后的残余应力进行测量。调整前后，在项目研究方法上并没有不同，但具体实验研究中所采用的具体待测对象有所改变。.2. 研究内容。（1）建立测量的物理模型：分析激光损伤点周围的应力特性，研究如何讲这些特性参数转化为光学量进行检测。（2）确定测量方法：设计测量光路，研究如何实现对能反映损伤应力的光学参数进行三维测量。（3）系统实验研究：搭建出光学测量装置，对各种实验限制因素进行系统研究的基础上，采取各种技术手段提升测量精度、分辨率和信噪比。（4）综合性能分析：将测量结果和现有技术进行对比，验证测量可靠性，并分析最终结果的精度和适用范围，为真正走入实际应用奠定基础。.3. 重要结果。（1）成功建立了激光损伤应力测量物理模型，将损伤点周围的三维应力分布转换为反射光强的测量，解决了损伤三维应力测量的关键难题。（2）成功发展出了反射式白光全息干涉光弹性测量技术，实现三维应力的分层测量。（3）成功提出参考光栅技术在不改变参考光角度的条件下，实现离轴干涉测量，解决了条纹对比受光程差影响的难题。（4）成功实现对激光损伤三维应力的高精度和高分辨测量，轴向分辨率达到10微米，横向分辨率5微米，解决了激光损伤三维应力一直无法精密测量的难题。.4. 关键数据。（1）成功实现了对能量为4.9J, 4.4J, 3.7J的激光脉冲所造成的损伤的测量，满足激光损伤修复的技术需要。（2）横向分辨率5微米，轴向分辨率10微米；（3）最下测量出的应力为0.1MP。