导读

大口径高性能光学元件被广泛应用于激光惯性约束核聚变、遥感相机、大口径激光雷达和高能激光武器等国家重大工程和武器装备中，其面形、超长焦距、超大曲率半径等核心参数直接决定了系统的性能。大口径移相干涉仪是目前检测大口径光学元件的强有力手段，但其一方面存在超大曲率半径等多参数测量精度低且多参数共基准测量能力不足等问题，另一方面受限于波长调谐移相原理性缺陷而难以进一步提高面形测量精度，导致大口径光学元件精度难以进一步提高。因此，开展大口径光学元件面形、超长焦距、超大曲率半径等参数的高精度测量方法研究，实现大口径光学元件高精度共基准测量，对激光聚变系统、空间光学系统和高能激光武器等大型光学系统具有重大意义。

最近，北京理工大学的赵维谦教授团队提出了高精度大口径激光差动共焦—干涉多参数测量方法，发明并研制成功了如图1所示的高精度大口径激光差动共焦—干涉多参数测量仪，实现了大口径光学元件面形、超长焦距、超大曲率半径等参数的高精度测量。

该研究成果以“Research on high-precision large-aperture laser differential confocal-interferometric optical element multi-parameter measurement method”为题，在线发表于Light: Advanced Manufacturing。

（a）仪器外形

（b）仪器构成

图1：高精度大口径激光差动共焦—干涉多参数测量仪

大口径光学元件的高精度共基准测量原理

测量过程如图2所示：小端口差动共焦移相干涉仪出射的平行光经过扩束系统形成大口径、高准直光束；该大口径准直光束通过大口径、重载荷参考镜机械移相系统，实现了大口径面形测量中的高精度、高稳定的移相干涉测量，通过抗散射和抗干扰的激光差动共焦元件参数测量系统，实现了光学元件超长焦距、超大曲率半径等多参数共基准精准测量。

图2: 大口径差动共焦—干涉测量原理图

基于重载参考镜机械移相面形测量方法

重载参考镜机械移相干涉测量方法如图2所示：大口径平行光经过参考镜RL反射后形成参考光束，由被测镜TL反射后形成测量光束在成像模块处与参考光束发生干涉，形成的干涉图被CCD相机采集。通过如图3所示的重载参考镜机械移相系统纳米分辨步进驱动实现了重载参考镜移相进给，通过重载参考镜空间平动运动闭环监测与控制补偿，实现了重载参考镜纳米精度的空间平动移相，突破了大口径吨级重的参考镜空间精确移相技术瓶颈，进而实现了大口径光学元件面形参数的高精度测量。

图3:重载参考镜机械移相方法

基于差动共焦的超长焦距和超大曲率半径测量方法

超长焦距测量原理如图4所示：参考镜为大口径球面标准镜。将被测镜置于大口径参考镜和大口径准直镜之间的平行光路中，利用差动共焦轴向强度响应曲线I_A(u,u_M)和I_B(u,u_M)的零点Q_A和Q_B分别精确对应组合焦点A和参考焦点B这一特性，通过测长干涉仪DMI测得有被测镜时的焦点位置为z_A，无被测镜时的焦点位置为z_B，得到两点之间的位置差Δz= |z_A- z_B|=l。然后根据参考镜焦距值f_R'和镜组间隔d₀求得被测镜后顶焦距f_TBFD'，利用被测镜曲率半径将顶焦距f_TBFD'换算成焦距f_T'，实现被测镜的焦距测量。

图4: 超长焦距测量方法

超大曲率半径测量原理如图5所示，参考镜为大口径球面标准镜，被测镜放置在大口径参考镜后的会聚光路中，大口径平行光经过参考镜后，会聚到被测镜的前表面(即猫眼位置A)，在猫眼位置A处测得差动共焦光强响应曲线I_A(u, u_M)，实现被测镜在猫眼位置A的精确定焦。然后移动被测镜，使测量光束经被测镜表面反射后会聚在参考镜后表面D处，此时测量得到被测镜在C点处的差动共焦光强响应曲线I_C(u, u_M)，实现被测镜在位置C点的精确定焦。最后由测长仪DMI测得A点和C的位置差值为L_T，并利用光线追迹算法，结合参考镜后顶焦距f_RBFD'求得被测镜曲率半径r。

图5: 超大曲率半径测量方法

仪器性能测试

基于提出的高精度大口径激光差动共焦—干涉多参数测量方法，研制了大口径激光差动共焦干涉测量仪，进行了大口径面形测量和在小端口测量端的超大曲率半径及超长焦距的实验验证。

本实验利用图2所示的大口径干涉测量系统对有效口径为?800mm的参考镜与标准镜的空腔进行测量，测量的面形结果如图6所示：100次测量空腔PV的平均值为46.0nm、RMS的平均值为8.00nm、PV标准差为1.4nm、RMS标准差为0.64nm。

图6: 面形测量

本实验利用图2所示的大口径激光差动共焦干涉仪的小端口对超长焦距和超大曲率半径透镜进行了测量，如图7(a)所示：测得透镜焦距为10452.21mm，标准偏差为2.15mm，相对标准偏差为0.019%；如图7(b)所示：测得透镜曲率半径为-14792.38 mm，标准偏差为0.55mm，相对标准偏差为0.0036%。

(a) 超长焦距测量

(b) 超大曲率半径测量

图7: 多参数测量

总结与展望

本文提出了高精度大口径激光差动共焦—干涉多参数测量方法，突破了重载参考镜机械移相瓶颈，实现了高频响、高精度、高稳定的重载参考镜机械移相和大口径面形的纳米精度测量；突破了大口径光学元件多参数共基准测量瓶颈，实现了超长焦距、超大曲率半径等参数高精度测量。可在同一台仪器上实现大口径光学元件多参数的高精度共基准综合测量，为大口径光学元件高精度、多参数检测提供了新的技术途径。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.047