极致光滑！世界首创米级光栅新技术，全频段误差达纳米级

上海正在研制的百拍瓦级超短超强激光装置是上海建设具有国际水平的科创中心的标志性建设内容张江光子大科学装置集群的重要装置之一。其中，尺寸需要达到1.6m×1.05m（双向米级，对角线接近2米）的脉冲压缩光栅是系统的关键器件，也是支撑装置确保实现国际领先水平仍然存在的“卡脖子”技术之一。目前，国内外现有的光栅制备技术上包括机械刻划、细光束扫描拼接曝光、透射静态干涉场曝光等现有技术都达不到制备如此双向米级大尺寸光栅能力。

中国科学院上海光学精密机械研究所提出了利用大口径离轴反射曝光系统制作米级脉冲压缩光栅的创新方案，其核心是利用2个大口径高精度的离轴抛物面反射镜形成两束平行光大范围构造均匀的曝光光场。

▲离轴镜上干涉仪检测

除上海光机所报道过小口径反射式曝光技术外，国际上至今没有报道过利用反射式曝光技术成功制作衍射光栅的先例。全口径大面积反射式静态曝光技术是引领大口径静态曝光技术的创新方案，将推动我国的大口径高精度超低缺陷离轴反射镜加工技术进步，若能研制成功将是世界上的第一次实现，形成国际上独一无二的大口径光栅制备能力，为我国超短超强激光技术发展提供持续有力支撑。

为实现满足衍射光栅制作要求的曝光光场均匀性，需要离轴抛物面镜表面宏观至微观的全频段误差均需达到纳米级。但大口径离轴抛物面镜具有的变曲率、大离轴量等特点，其全频段误差一致收敛加工一直是业界的难点。

全频段误差一致收敛加工通俗来讲，就是要将镜子上面的各种凹凸不平的东西都要消除，让镜子保持“极致”光滑状态；如果做不到这一点，反射后的光场一定会出现不均匀性情况，就不可能造出好光栅。

所谓“极致”光滑，根据光场理论反演推算，若是把这面镜子放大到上海市大小，其“最高峰”相当于要控制在2mm以下；而对于镜子上10mm空间周期以下的误差，米级元件任一区域误差起伏要求控制在1纳米以内，相当于头发丝直径的五万分之一；如此大口径元件在全空间频段均达到纳米/亚纳米级的制造精度称得上是人类制造皇冠上的明珠。

上海光机所项目组团队经过1年多的努力攻关，发明了极窄边缘效应一体式柔性研抛技术与装备、无轨迹波纹非正交磁流变抛光技术、计算机全息位相板检测、大镜低应力支撑等系列创新技术。

▲科研人员正在研究技术相关数据

在项目攻关的关键时期，正处于疫情封控期间，项目组遇到了大镜支撑应力不稳定导致精密检测面形误差不重复的技术难题，大大制约了研制进程。项目组成员主动担当，在封控前入住实验园区，吃住在实验室，反复上下干涉仪进行支撑应力试验，24小时轮班盯紧加工任务，连续奋战40天，研究分析了支撑应力不稳定性的原因并找到了最优的支撑方式，成功解决了大镜测量稳定性和支撑应力问题，完成了尺寸达1650mm×1120mm(对角线约2米)，重约900公斤，全频段误差达纳米精度的加工，完全满足了设计指标要求，后续将进行光栅制作实际验证。

　　作者：通讯员戚婧媛 记者许琦敏

　　图片：上海光机所提供

责任编辑：任荃