高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究_蒋庄德.pdf

DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.07.003中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究蒋庄德 1,2,3，李常胜 1,2,3，孙林 1,2,3，段端志 1,2,3，康城玮 1,2,3，陈杉杉 1,2,3，林启敬 1,2,3，杨树明 1,2,3（1.西安交通大学机械工程学院，西安 710049；2.西安交通大学高端制造装备协同创新中心，西安 710054；3.机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710054）摘要：高端光学元件是决定高端装备性能水平的核心零件，研究高端光学元件超精密加工技术与装备发展，对于实施制造强国战略、满足高端装备产业需求具有积极意义。本文剖析了光学元件超精密加工方法与装备、高性能基础部件、超精密光学加工中的测量方法与装备等的发展情况，凝练了精度与尺寸极端化、形状与性能一体化、加工工艺复合化、加工与检测一体化、装备与工艺智能化等发展趋势。通过广泛的行业调研和研讨，从需求、目标、产品、关键技术、应用示范、支撑保障等方面着手，形成了面向2035年我国高端光学元件超精密制造技术路线图。针对性提出了优化创新体系设置、组织优势资源成立技术联盟，加大资源保障力度、布局基础研究和技术攻关计划，加强人才培育、构建梯队并扩大队伍规模，筑牢产业发展基础、培育龙头企业和专精特新“小巨人”企业等发展建议，以期促进高端光学元件加工产业提升与高质量发展。关键词：光学元件；精密制造；超精密机床；超精密加工；光学加工中图分类号：TH16 文献标识码：AUltra-Precision Machining Technology and Equipment for High-End Optical ElementsJiang Zhuangde 1,2,3,Li Changsheng 1,2,3,Sun Lin 1,2,3,Duan Duanzhi 1,2,3,Kang Chengwei 1,2,3,Chen Shanshan 1,2,3,Lin Qijing 1,2,3,Yang Shuming 1,2,3(1.School of Mechanical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2.Collaborative Innovation Center of High-End Manufacturing Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710054,China;3.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xian 710054,China)Abstract:High-end optical elements determine the performance of high-end equipment.Researching the ultra-precision machining technology and equipment for high-end optical elements is crucial for strengthening Chinas manufacturing industry and satisfying the requirements of the high-end equipment industry.In this study,the ultra-precision machining methods and equipment for optical elements,high-performance basic components,and measurement methods and equipment used in ultra-precision optical machining are analyzed.Five development trends are summarized including extremalization of precision and size,integration of shape and performance,compounding of machining technologies,integration of machining and measurement,and intellectualization of equipment and processes.Through extensive survey and discussions,a technology roadmap for ultra-precision manufacturing of high-end optical 收稿日期：2022-06-15；修回日期：2022-10-08通讯作者：林启敬，西安交通大学机械工程学院副研究员，研究方向为光纤传感技术和柔性微纳器件；E-mail:资助项目：中国工程院咨询项目“高端光学系统的精密超精密加工技术及装备的发展战略研究”(2020-XY-02)，“工作母机高端装备的发展战略研究”(2022-XY-114)本刊网址： by 2035 is proposed from the aspects of demand,goals,products,key technologies,application demonstrations,and guarantees.Furthermore,several development suggestions are proposed,including(1)optimizing the innovation system and establishing technical alliances by organizing superior resources,(2)increasing resource guarantees and laying out plans on basic and technical research,(3)strengthening talent cultivation to expand the scale of the multi-level talent team,and(4)building a solid foundation for industrial development and cultivating small-sized leading enterprises.Keywords:optical element;precision manufacturing;ultra-precision machine tool;ultra-precision machining;optical fabrication一、前言高端光学元件是决定航空航天、国防军工、先进民用等领域高端装备性能的关键零件，典型应用对象有：高分辨率对地观测系统、大型天文望远镜、X射线望远镜、激光核聚变装置、同步辐射装置等大科学装置，紫外/极紫外光刻机、精密惯性器件、飞行器光学导引头、消费电子产品、医疗器械等设备。重大装备服役能力不断提高，对高端光学元件性能提出了更高要求；仅以几何尺寸公差为关注点的传统设计制造理念难以适应高性能光学元件的制造需求，光学元件的超精密制造面临技术挑战。以惯性约束激光核聚变为例，为了实现核聚变“点火”所需的极端苛刻条件，美国国家点火装置1大规模采用了以熔石英、磷酸二氢钾晶体材料为基础的大口径平面、非球面、离轴非球面等光学元件。我国在“神光”系列装置上开展了类似研究2。目前世界上均未实现核聚变“点火”目标，分析表明，服役在短波长范围的高性能光学元件超精密制造及其抗强激光损伤特性成为制约激光核聚变驱动器 巨型激光装置能否成功研制的瓶颈问题3。探究强激光紫外短波长光学元件超精密制造过程中表面形貌及缺陷的形成、影响机制、抑制方法，可极大节约激光核聚变装置的运行维护成本、加速新一代激光核聚变点火装置的研制进程。空间X射线探测4,5是脉冲星全自主计时导航、X射线通信、空间环境监测等工程应用，天文观测、太阳X射线探测等空间科学探测的关键技术。空间X射线反射镜由多层轻质薄壁复杂曲面镜片经同轴共焦精密装配而成，要求加工至亚纳米表面粗糙度、微弧度级斜率偏差、极少的加工缺陷。目前，相比发达国家X射线多层嵌套反射镜加工技术6,7，我国在反射镜层数、分辨率方面差距明显，研制高灵敏度空间X射线探测系统亟需解决相关难题。突破多层嵌套式X射线空间反射镜制造新工艺的基础理论与工艺方法，对推动新一代航天器深空全自主导航与通信、深空探测、空间科学领域发展具有重要的科学意义和工程价值。在半导体芯片制造领域，极紫外光刻技术是国际半导体行业延续摩尔定律、确保光刻分辨率进入7 nm/5 nm节点的核心关键所在。极紫外光刻物镜需要适应以全频段、亚纳米精度制造为代表的一系列苛刻要求，才能保证光刻性能8：采用光学自由曲面设计，减小光学系统波前误差，增大数值孔径，减少元件数量；使用超低膨胀的微晶玻璃来保证工作稳定性，而这种异质材料的高性能超精密制造具有挑战性。目前，只有德国蔡司集团能够生产面向大规模制造的极紫外光刻物镜9；我国重点研究的深紫外光刻物镜制造技术10，与国际先进水平相比差距明显，是制约极大规模集成电路制造技术发展的“卡脖子”环节。我国高端光学元件超精密制造技术及装备，相比国际前沿存在阶段性差距，成为制约高端装备制造业发展的重大短板。在高新技术领域国际竞争趋于激烈11、一些国家试图对我国进行科技封锁的背景下，“自主可控”解决光学制造这一“卡脖子”难题显得尤为迫切。发展国产高端光学元件超精密加工技术，是实现诸多大科学装置、高端装备应用突破的必由之路。中国工程院咨询项目“高端光学系统的精密超精密加工技术及装备的发展战略研究”，广泛开展了文献调研、现场考察、会议研讨、问卷调查，旨在推动新形势下高端光学元件超精密加工技术与装备的高质量发展。本文作为相关咨询项目研究成果的学术性展示，梳理光学元件超精密加工方法与装备、高性能基础部件、超精密光学加工相关测量方法与装备的发展现状，分析理论、工艺、装备、应用等方面的瓶颈问题，提炼超精密光学制造技术的发展趋势，形成面向2035年高端光学元件超精密制造技术路线图，以期为我国超精密加工技术领域基础研究、技术攻关、装备应用等研究提供基础性参考。132中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期二、国内外高端光学元件超精密加工技术与装备发展现状高端光学元件制造的载体是精密/超精密光学加工机床。在以“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项（简称04专项）为代表的国家科技计划支持下，我国初步形成了超精密加工机床自主研发能力，产品品种基本满足重点领域需求，数控系统与关键功能部件的研发及配套能力基本形成。以04专项实施完毕后的状态来判断，我国机床行业与国际先进水平仍有15年左右的差距12。（一）超精密加工方法和装备美国企业在光学元件超精密加工领域起步最早、水平最高，欧洲企业紧随其后，日本企业在中小型民用超精密加工领域具有独特优势；这些企业技术体系成熟且注重技术原始创新，占据了大部分市场份额。近年来，我国的科研机构和企业在国家重大需求的牵引下，积极开展光学元件超精密加工技术研究，但与国外相比存在阶段性差距。自主研制的超精密加工机床，其数控系统性能与可靠性、主轴回转精度与转速、溜板直线度与定位精度、纳米级运动控制与补偿、加工精度与范围等方面普遍滞后于国际前沿水平；“产学研用”协同创新与要素融合不足，基础研究脱节，应用技术转化率不高，原创技术稀缺，以跟踪研究为主流。在我国超精密加工机床市场上，国外公司占据主导地位，进口产品拥有多数份额；国产机床集中在航空航天、国防军工领域应用，以高端民用为代表的大规