折/衍混合成像元件的飞秒激光超精细加工技术及应用研究

折/衍混合成像元件是实现空间光学系统小型化、轻量化和性能提升的关键部件，但蓝宝石和玻璃等紫外和可见波段光学材料难以用金刚石单点车削等现有技术加工。为解决这一问题，本项目以曲面基底、小特征尺寸折/衍混合空间光学成像系统透镜为目标，提出基于飞秒激光超精细加工技术的一系列创新解决方案：具体通过飞秒激光与材料相互作用的动态调控，获得对透明硬质材料加工的纳米加工分辨率；研究高速回转扫描、高精度三维模板制备与转写和壳层扫描等新原理技术，实现高精度、高效率加工前提下器件尺寸从百微米向厘米尺寸的跨越。通过以上工作，实现直径50mm、面形精度 <100 nm紫外-可见波段工作的折/衍混合透镜。解决长期制约飞秒激光超精细加工技术走向工业应用面临的效率和精度的矛盾，为其作为一种通用平台技术在基础研究、工业和国防高技术等领域获得广泛应用奠定基础，为我国高分辨空间光学系统的跨越发展做出贡献。

折衍混合光学元件是实现光学系统小型化、轻量化和性能提升的关键部件，但石英和蓝宝石等紫外-可见波段光学材料难以用金刚石单点车削等现有技术加工。为解决这一问题，本项目以曲面基底、小特征尺寸折衍混合透镜为目标，提出基于飞秒激光超精细加工技术的一系列创新解决方案：首先搭建了具有激光曝光控制系统、优化激光扫描和激光聚焦偏离检测的极坐标高速回转扫描加工系统，最大扫描速度达到300 rpm。具体通过飞秒激光与材料相互作用的动态调控，利用该系统在蓝宝石、石英和金刚石质等多种透明硬质材料上实现了超衍射极限分辨率加工，实现了小于100 nm线宽的最小加工精度。采用壳层扫描、激光掩膜干/湿法刻蚀、聚合物-硬质材料三维转写、激光诱导材料内部折射率改变等技术逐步克服加工效率、表面粗糙度、深度控制等影响光学元件性能的关键问题，在在蓝宝石基底上实现了小于10 nm的表面粗糙度加工。设计并制备基于多种材料、多种尺寸的，具有特定光学功能的折射、衍射、折/衍混合光学元件：制备了可调谐蛋白质透镜和直径20 mm、焦距为20 mm的蓝宝石菲尼尔波带片；制备了折衍混合涡旋光透镜和折衍混合消色差聚合物透镜。设计并制备了厘米量级的消球差的折衍混合透镜，在全孔径透光的情况下，焦点有效尺寸压缩到球透镜的1/3以下,实现了很好的球差校正效果；通过自行搭建了光学元件表征系统，定量表征光学元件的球差、色差、场曲、畸变等像差，在空间频率50 lp/mm时对比度0.35的成像质量。上述成果有望解决长期制约飞秒激光超精细加工技术走向工业应解决长期制约飞秒激光超精细加工技术走向工业应用面临的效率和精度的矛盾，为其作为一种通用技术在基础研究、工业和国防高技术等领域获得广泛应用奠定基础。.项目实施过程中在飞秒激光精密加工领域发表SCI论文55篇，包括Nature Comm.等国际一流期刊16篇，被选为封面介绍5次，他引900余次，被Laser Focus World 等国际知名科学杂志和学术媒体Highlight30余次，获授权国家发明专利6项。项目负责人获得日本化学会2015年“Distinguished Lectureship Award”,教育部 “新世纪优秀人才支持计划”; 相关项目成果获得2012年吉林省科学技术进步一等奖和2014年研究获得教育部自然科学一等奖。