邵建達(dá)， 戴亞平， 許 喬

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800;2.中國(guó)工程物理研究院 激光聚變研究中心， 四川 綿陽(yáng) 621000;3.成都精密光學(xué)工程研究中心， 四川 成都 610000)

慣性約束聚變激光驅(qū)動(dòng)裝置用光學(xué)元器件的研究進(jìn)展

邵建達(dá)1*， 戴亞平2， 許 喬3

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800;2.中國(guó)工程物理研究院 激光聚變研究中心， 四川 綿陽(yáng) 621000;3.成都精密光學(xué)工程研究中心， 四川 成都 610000)

介紹了為提高慣性約束聚變(ICF)激光驅(qū)動(dòng)裝置的光束質(zhì)量和輸出功率，我國(guó)在神光系列激光裝置的建設(shè)、運(yùn)行和性能提升方面開(kāi)展的工作。綜述了我國(guó)近年來(lái)ICF激光裝置用光學(xué)元器件的重要研究進(jìn)展。文中涉及了高純金屬鉿和磷酸二氫鉀(KDP)等原材料的制備和四大主材(釹玻璃、高純度KDP、熔石英和KDP/高摻氘KDP(KDP/DKDP晶體)的熔煉、加工和生長(zhǎng)。描述了元器件的冷加工(針對(duì)釹玻璃、白玻璃、KDP晶體)技術(shù)和鍍膜技術(shù)(針對(duì)介質(zhì)膜和化學(xué)膜)。最后，給出了針對(duì)大口徑光學(xué)元件工序檢及終檢開(kāi)展的多項(xiàng)關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)。文中介紹的關(guān)鍵技術(shù)與工藝滿(mǎn)足了絕大部分光學(xué)元器件的需求，顯著提升了光學(xué)元器件的研發(fā)和生產(chǎn)能力。

慣性約束核聚變(ICF)激光裝置；光學(xué)元器件；材料制備；光學(xué)檢測(cè)；綜述

1 引 言

慣性約束聚變(Inertial Confinement,ICF)激光驅(qū)動(dòng)裝置是一項(xiàng)龐大、復(fù)雜且系統(tǒng)性極強(qiáng)的超大型光學(xué)工程，這個(gè)大型光學(xué)系統(tǒng)中包含片狀玻璃放大器、反射鏡、透鏡、偏振元件、晶體、窗口以及衍射光學(xué)元件等各種性能的光學(xué)元器件。以當(dāng)前世界上規(guī)模最大、能量最強(qiáng)的激光器——美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)為例，它包含了大約7 500塊大尺寸光學(xué)元件(直徑在600～1 000 mm)和30 000塊小尺寸光學(xué)元件[1]。對(duì)用于ICF驅(qū)動(dòng)的高功率激光裝置而言，獲得更高輸出能量和功率的激光束一直是研究人員追求的目標(biāo)。在激光工作者努力向此目標(biāo)邁進(jìn)的同時(shí)，光學(xué)元器件的發(fā)展也面臨著巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[2]。

對(duì)于ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置用光學(xué)元器件而言，最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)可以歸結(jié)為抗激光損傷能力和面形精度這兩個(gè)方面[3]。過(guò)去的數(shù)十年中，大量的研究工作致力于提升光學(xué)元器件的抗激光損傷能力，以及穩(wěn)定控制光學(xué)元器件的面形。圍繞我國(guó)神光系列激光裝置的建設(shè)、運(yùn)行和性能的提升，科研工作者針對(duì)不同類(lèi)型的光學(xué)元器件進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)突破和持久攻關(guān)，取得了顯著進(jìn)展。主要成果包括:完成了大口徑光學(xué)元件檢測(cè)體系的建設(shè)；具備了自主提供金屬鉿、磷酸鹽等重要原材料，以及激光釹玻璃、白玻璃、熔石英和晶體4大主材的能力;光學(xué)冷加工設(shè)備的自主研發(fā)與工藝進(jìn)步，加上薄膜沉積工藝的進(jìn)步，使得各類(lèi)元器件的性能得以迅速提升;成功制備了連熔釹玻璃、400 mm口徑高摻氘DKDP晶體,解決了大口徑連續(xù)位相板(CPP)以及大口徑偏振片等元器件的材料問(wèn)題；突破了絕大部分光學(xué)元器件全流程工藝定型所需的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，全面完成了試驗(yàn)流程線(xiàn)的建設(shè)。

本文綜述了我國(guó)在ICF的原材料、四大主材、光學(xué)元器件以及檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)等方面的研究進(jìn)展。

2 原材料

高純金屬鉿和磷酸二氫鉀材料分別是制備高功率激光介質(zhì)膜和高性能KDP/DKDP晶體的重要原材料。其生產(chǎn)料技術(shù)的突破可為介質(zhì)膜和晶體的制備提供強(qiáng)有力的保障。

2.1 高純金屬鉿

在高純金屬鉿方面，我國(guó)建立了一條包括電子束熔煉設(shè)備、鋯鉿分離裝置、真空還原裝置、碘化提純裝置、電解提純裝置、超聲波清洗儀和高壓釜在內(nèi)的高純金屬鉿生產(chǎn)流程線(xiàn)[4]。在金屬鉿提純流程中，碘化是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，目前我國(guó)已經(jīng)完成碘化提純的控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、碘化反應(yīng)罐等設(shè)備的制造，成功開(kāi)發(fā)了碘化母絲K值自動(dòng)控制的軟硬件，實(shí)現(xiàn)了母絲的相對(duì)恒溫，這是碘化設(shè)備的一項(xiàng)創(chuàng)新。

迄今為止，我國(guó)已攻克4N(99.99%)高純鉿制備的技術(shù)難題，具備年產(chǎn)百公斤級(jí)高純鉿的生產(chǎn)能力。金屬鉿材料的主要技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)滿(mǎn)足高閾值激光薄膜對(duì)高純金屬鉿的需求，可徹底取代進(jìn)口材料。

2.2 高純度磷酸二氫鉀

在高純度磷酸二氫鉀原料方面，我國(guó)建立了ICP-MS痕量元素檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)建設(shè)流程線(xiàn)規(guī)范、改進(jìn)全流程雜質(zhì)元素控制的提純工藝，以及強(qiáng)化環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)了金屬雜質(zhì)離子含量低于0.1×10-6的高純度磷酸二氫鉀的生產(chǎn)[5]。目前,高純度磷酸二氫鉀的生產(chǎn)能力高達(dá)百公斤級(jí),其相關(guān)設(shè)備具有長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的能力，并且全套工藝流程和工藝文件已經(jīng)固化。

3 四大主材

3.1 釹玻璃

磷酸鹽激光釹玻璃在我國(guó)神光系列裝置中承擔(dān)著激光產(chǎn)生和能量放大的重要作用。相比于一般的光學(xué)玻璃，應(yīng)用于大型高功率激光裝置的釹玻璃具有極其特殊的性能。釹玻璃的制備工藝包括配料、熔制、成型、粗退火、光學(xué)和光譜性能檢測(cè)、精密退火、應(yīng)力檢測(cè)、包邊和精密拋光加工等諸多環(huán)節(jié)。釹玻璃必須同時(shí)滿(mǎn)足光學(xué)均勻性、氣泡、熒光壽命、光吸收損耗、鉑金顆粒、應(yīng)力均勻性和包邊等一系列指標(biāo)要求。在過(guò)去的幾十年中，隨著ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置輸出功率的不斷提高，對(duì)釹玻璃的質(zhì)量和數(shù)量的要求也不斷提高。釹玻璃的制備工藝技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從單坩堝熔煉、半連續(xù)熔煉發(fā)展到了連續(xù)熔煉[6]。

釹玻璃連熔技術(shù)被譽(yù)為支撐美國(guó)NIF裝置建設(shè)的七大奇跡之一?；阝S玻璃半連熔工藝和連熔實(shí)驗(yàn)線(xiàn)工藝的研究積累，我國(guó)建設(shè)了400 mm口徑N31釹玻璃連熔線(xiàn),實(shí)現(xiàn)了N31釹玻璃連熔技術(shù)的全面突破。通過(guò)改進(jìn)池爐材料和優(yōu)化熔制工藝參數(shù)，釹玻璃在1 053 nm的吸收系數(shù)由0.15%逐步下降，并穩(wěn)定達(dá)到0.13%。釹玻璃連熔除水工藝的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步提高，熒光壽命可以達(dá)到310 μs，部分可以達(dá)到315 μs。通過(guò)改進(jìn)池爐結(jié)構(gòu)和除鉑金工藝，N31連熔釹玻璃中的包裹物得到有效控制，并通過(guò)了ITB裝置的高通量在線(xiàn)考核。通過(guò)精密退火工藝實(shí)驗(yàn)和玻璃裝夾方式的改進(jìn)，釹玻璃在通光口徑范圍的應(yīng)力平均值降至5 nm/cm以?xún)?nèi)。目前，我國(guó)研制的N31釹玻璃的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到當(dāng)前ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置的要求，并已實(shí)現(xiàn)工藝定型。

同時(shí)，我國(guó)完成了N31釹玻璃包邊機(jī)械化裝置的建設(shè)和包邊機(jī)械化工藝的驗(yàn)證。包邊機(jī)械化保證了批量化生產(chǎn)的一致性和穩(wěn)定性，提高了包邊性能的穩(wěn)定性和包邊效率，規(guī)避了手工操作帶來(lái)的性能不穩(wěn)定等難以完全滿(mǎn)足工程要求的問(wèn)題。釹玻璃包邊綜合測(cè)試平臺(tái)對(duì)機(jī)械化包邊產(chǎn)品耐氙燈輻照考核的結(jié)果表明：包邊后的釹玻璃元件在經(jīng)過(guò)2 000發(fā)次(發(fā)次間隔為5 min)的輻照后，未出現(xiàn)噴膠、脫膠、炸裂等現(xiàn)象[7]。

此外，還建立了一套專(zhuān)用于N41新型釹玻璃工藝研究的半連續(xù)熔煉設(shè)備，并利用該設(shè)備開(kāi)展了N41釹玻璃半連熔工藝研究，研制出400 mm口徑的N41釹玻璃。目前，除400 nm處吸收系數(shù)和熒光壽命等個(gè)別指標(biāo)外，N41釹玻璃的其他性能均能滿(mǎn)足當(dāng)前ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置的指標(biāo)要求。

3.2 高純度磷酸二氫鉀

K9玻璃是基頻類(lèi)薄膜元器件的基底材料，穩(wěn)定、可控的玻璃材料是獲得高質(zhì)量薄膜元器件的基礎(chǔ)。近年來(lái)，研究人員通過(guò)“恒溫均熱腔”改善玻璃體的溫度分布，有效控制了玻璃垂直方向上的溫度梯度，改善了玻璃內(nèi)部溫度分布的均勻性和對(duì)稱(chēng)性，并在一定程度上降低了玻璃的邊角應(yīng)力；通過(guò)優(yōu)化成型和退火工藝，降低了玻璃材料的應(yīng)力雙折射，400 mm口徑K9玻璃坯片的應(yīng)力雙折射小于5 nm/cm。目前，400 mm口徑K9玻璃坯片的工藝路線(xiàn)已經(jīng)定型。

3.3 熔石英

光學(xué)均勻性和抗激光損傷性能是熔石英玻璃的兩大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。為了提升熔石英玻璃的光學(xué)均勻性，研究人員針對(duì)燃燒器的材質(zhì)、燃燒能力、火焰狀態(tài)、火焰焦距和火焰溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬和系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)；通過(guò)改進(jìn)槽沉處理過(guò)程中的發(fā)熱體結(jié)構(gòu)與排布、優(yōu)化成型模具來(lái)提升爐內(nèi)溫度，使玻璃砣各點(diǎn)的羥基分布均勻化，進(jìn)而提升熔石英玻璃的光學(xué)均勻性。目前，基于沉積、槽沉、退火的主工藝技術(shù)路線(xiàn)已經(jīng)定型。430 mm×430 mm口徑熔石英的光學(xué)均勻性突破2×10-6(P-V)，在400 mm×400 mm的通光口徑內(nèi)可穩(wěn)定達(dá)到(2～4)×10-6(P-V)，體材料的激光損傷閾值優(yōu)于18 J/cm2(3ω，5 ns)。

3.4 晶體

KDP/DKDP晶體具有優(yōu)良的電光性質(zhì)和非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，是ICF激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不可替代的非線(xiàn)性光學(xué)材料。晶體坯片的生長(zhǎng)技術(shù)主要包括傳統(tǒng)生長(zhǎng)技術(shù)和快速生長(zhǎng)技術(shù)，其中KDP晶體的快速生長(zhǎng)技術(shù)被譽(yù)為美國(guó)NIF裝置建設(shè)的七大奇跡之一。

3.4.1 KDP晶體生長(zhǎng)技術(shù)

2013年，朱勝軍等采用傳統(tǒng)生長(zhǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次制備了尺寸達(dá)410 mm×410 mm的KDP晶體坯片。目前，KDP晶體傳統(tǒng)生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)定型[8]。為了降低成本、縮短生長(zhǎng)周期，通過(guò)改變KDP晶體的生長(zhǎng)條件和利用添加劑生長(zhǎng)大尺寸高光學(xué)質(zhì)量的KDP晶體的“快速生長(zhǎng)”法成為研究重點(diǎn)。研究人員從晶體生長(zhǎng)設(shè)備、原料、工藝等諸多環(huán)節(jié)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作，完成了籽晶定向和整形、注種、溶液過(guò)熱、溶液過(guò)冷、二級(jí)微孔過(guò)濾、生長(zhǎng)溫度控制等各道工序試驗(yàn)，提高了溶液的穩(wěn)定性?；跍囟葓?chǎng)和濃度場(chǎng)分析，通過(guò)改進(jìn)載晶架和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、增加內(nèi)攪拌裝置和溫度自動(dòng)控制，克服了快速生長(zhǎng)中存在的10 cm快長(zhǎng)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)籽晶快速生長(zhǎng)的技術(shù)突破，生長(zhǎng)成功率可達(dá)30%。目前，利用該技術(shù)已成功生長(zhǎng)出多塊口徑在500～650 mm的KDP單晶，提供了330～430 mm口徑的I類(lèi)器件，且快速生長(zhǎng)晶體的質(zhì)量與常規(guī)生長(zhǎng)晶體的質(zhì)量基本相當(dāng)。

3.4.2 DKDP晶體生長(zhǎng)技術(shù)

在大尺寸KDP晶體傳統(tǒng)生長(zhǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)探索了在亞穩(wěn)相、高溫區(qū)生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量DKDP晶體的工藝條件，解決了在高溫區(qū)、大容量培養(yǎng)缸中生長(zhǎng)DKDP晶體工藝穩(wěn)定性的問(wèn)題，排除了單斜相對(duì)四方相晶體的干擾，提高了DKDP晶體的成功率。2012年7月，生長(zhǎng)得到了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的一塊510 mm×390 mm×520 mm DKDP大單晶，切割出國(guó)內(nèi)首片70%氘化率430 mm II類(lèi)DKDP坯片。2015年，研究人員取得了一塊晶體坯片加工出10片74%氘化率的430 mm II類(lèi)DKDP的重大進(jìn)展。在ITB裝置上共考核50余發(fā)次，其中三倍頻光的最大能量輸出為8.0 kJ(5 ns)，最大平均通量達(dá)到6.7 J/cm2(5 ns)[9]。

同時(shí)，科研人員根據(jù)DKDP晶體的生長(zhǎng)特點(diǎn)，改進(jìn)了現(xiàn)有的快長(zhǎng)KDP生長(zhǎng)槽，優(yōu)化了轉(zhuǎn)動(dòng)和降溫參數(shù),并于2014年底探索出適合DKDP晶體快速生長(zhǎng)的工藝和設(shè)備。2015年5月,我國(guó)首次制備出大尺寸90%氘化率的開(kāi)關(guān)DKDP晶體，證明了快長(zhǎng)技術(shù)用于研制430 mm DKDP開(kāi)關(guān)晶體坯件的可行性。

3.4.3 提升晶體抗激光損傷性能的后處理技術(shù)

為了提升晶體的抗激光損傷性能，研究了熱退火和激光預(yù)處理工藝。研究結(jié)果表明：熱退火可以有效地提高晶體的損傷閾值，并且對(duì)晶體透射率、e光折射率的非均勻性沒(méi)有大的影響。在相同的退火溫度下，晶體后期生長(zhǎng)的部分具有較高的損傷閾值。

在激光預(yù)處理方面，我國(guó)完成了Ⅰ類(lèi)KDP晶體和Ⅱ類(lèi)70% DKDP晶體激光預(yù)處理的工藝優(yōu)化方案，以及sol-gel涂膜后的DKDP晶體激光預(yù)處理技術(shù)方案。針對(duì)損傷閾值目標(biāo)，初步理清了各工序制約晶體抗激光損傷性能的關(guān)鍵因素，明確了晶體生長(zhǎng)、加工與激光預(yù)處理優(yōu)化的工序關(guān)系。然后研究了新型高效激光預(yù)處理技術(shù)，I類(lèi)快長(zhǎng)KDP晶體經(jīng)處理后的損傷閾值能夠達(dá)到當(dāng)前ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置的指標(biāo)要求，并且建立了亞納秒激光預(yù)處理技術(shù)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。離線(xiàn)測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)處理的II類(lèi)DKDP晶體初步具有負(fù)載8 J/cm2通量的能力。

4 元器件

4.1 光學(xué)冷加工

4.1.1 釹玻璃加工

針對(duì)釹玻璃元件的波面質(zhì)量要求，項(xiàng)目組開(kāi)展了釹玻璃加工面形確定性控制技術(shù)的研究。針對(duì)4.4 m環(huán)拋機(jī)的分系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，包括：校正板自動(dòng)加壓卸荷系統(tǒng)、蠟板自動(dòng)開(kāi)槽刮盤(pán)系統(tǒng)、校正板和工件環(huán)速度分別驅(qū)動(dòng)與聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、加工工藝參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、多工位加工系統(tǒng)及上下盤(pán)系統(tǒng)、多種工件環(huán)交互協(xié)作聯(lián)調(diào)系統(tǒng)以及環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。

通過(guò)熱集聚效應(yīng)研究提升釹玻璃的面形控制精度，研究表明工件加工過(guò)程的熱積聚效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響面形收斂規(guī)律。因此，需要通過(guò)熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)快速傳播產(chǎn)生的熱量；通過(guò)熱屏蔽實(shí)驗(yàn)阻斷熱傳導(dǎo)，以保持釹玻璃元件內(nèi)部均勻的溫度梯度，從而大幅提升釹玻璃加工全頻譜面形指標(biāo)的合格率。

加工中采取交叉修復(fù)的工藝技術(shù)路線(xiàn)，即：基于蠟盤(pán)面形檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握每臺(tái)環(huán)拋機(jī)蠟盤(pán)形狀的變化情況，通過(guò)批次內(nèi)工件的交叉，充分利用每臺(tái)環(huán)拋機(jī)的“保形”區(qū)間，達(dá)到交叉修復(fù)的目的。同時(shí)，引入新的修形手段，形成一套蠟盤(pán)面形診斷方法，大幅提高單面面形的控制精度，進(jìn)而提升N31釹玻璃的加工效率和產(chǎn)能[7]。

4.1.2 白玻璃加工

針對(duì)K9玻璃的應(yīng)力穩(wěn)定性問(wèn)題，提出基于熱循環(huán)模擬的應(yīng)力穩(wěn)定性控制技術(shù)。對(duì)基片熱模擬后的穩(wěn)定時(shí)間，以及粗拋、精拋和熱循環(huán)等工序?qū)9玻璃面形的影響進(jìn)行了研究，以指導(dǎo)基片加工工序的熱循環(huán)工藝參數(shù)。針對(duì)全頻譜的波面質(zhì)量要求，將主動(dòng)匹配式環(huán)形拋光技術(shù)、光順束勻滑技術(shù)，以及分步勻滑式數(shù)控拋光技術(shù)相結(jié)合，大幅提高了元件拋光過(guò)程中的確定性、均勻性及穩(wěn)定性，有效抑制并在很大程度上消除了小尺度加工波紋的產(chǎn)生，突破了大口徑平面反射類(lèi)元件小工具數(shù)控拋光中頻誤差控制的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了低頻面形PV、波前梯度GRMS及中頻PSD、高頻RMS指標(biāo)的同步收斂加工。

在諸多使用白玻璃作為基板的元件中，大口徑偏振片基板具有尺寸大、超長(zhǎng)寬比、重量接近校正盤(pán)等特點(diǎn)。項(xiàng)目組利用在古典光學(xué)加工方面的經(jīng)驗(yàn)，采用磁流變、小磨頭等先進(jìn)加工技術(shù)，結(jié)合保形光順技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了偏振片基板全頻段面形的高精度控制，特別是在中頻功率譜密度(PSD)和均方根誤差(RMS)等關(guān)鍵指標(biāo)的控制方面實(shí)現(xiàn)了較大的工藝創(chuàng)新和技術(shù)突破。

4.1.3 熔石英加工

針對(duì)平面熔石英元件開(kāi)展了中頻控制技術(shù)的研究工作。通過(guò)優(yōu)化拋光與數(shù)控工藝，突破中頻波紋抑制技術(shù)，使透射窗口元件滿(mǎn)足ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置的指標(biāo)要求。

自主研制了高精度磨削機(jī)床，建立了大口徑高精度非球面磨削計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)。采用超精密機(jī)床固著磨粒的磨削手段，直接用磨削的方法獲得了面形精度在5 μm以?xún)?nèi)的非球面，實(shí)現(xiàn)了非球面的高效高精度直接成形，大大減少了后序拋光的加工余量。優(yōu)化非球面磨削紋理，使元件的加工時(shí)間縮短近20 h。邵平等針對(duì)楔形透鏡的中頻誤差問(wèn)題，開(kāi)展了楔形透鏡中頻誤差抑制方法的研究，顯著提升了楔形透鏡的中頻誤差指標(biāo)[10]。

4.1.4 晶體加工

針對(duì)KDP晶體加工的全頻段指標(biāo)，對(duì)全流程技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分解，圍繞低、中、高頻段的加工誤差，明確了刀具、機(jī)床、環(huán)境等多方面的影響因素。在逐步明確了元件加工指標(biāo)要求和檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，使用基準(zhǔn)面拋光的方法提高了晶體的波面質(zhì)量。然后基于透射波前測(cè)量結(jié)果，對(duì)元件加工過(guò)程中的不同誤差進(jìn)行溯源分析，通過(guò)控制機(jī)床和環(huán)境熱源的影響、氣源和液壓的波動(dòng)，機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的分析和改善，實(shí)現(xiàn)了透射波前GRMS和PSD1指標(biāo)的控制。刀具參數(shù)的改變提高了PSD2和粗糙度加工水平，并在此基礎(chǔ)上確定了KDP晶體加工的主要工藝路線(xiàn)。

4.2 鍍膜

我國(guó)神光系列裝置中使用的光學(xué)薄膜元件主要包括反射元件、透射元件、偏振分光元件和波長(zhǎng)分離元件4類(lèi)。除了三倍頻的增透元件和晶體元件采用Sol-Gel膜之外，神光系列裝置使用的絕大部分光學(xué)薄膜元件都采用電子束沉積技術(shù)制備而成，包括基頻增透薄膜元件。

4.2.1 介質(zhì)膜

神光系列裝置對(duì)光學(xué)薄膜元件的性能要求有三個(gè)方面：高的反射率或透射率，以降低傳輸損耗；高的抗激光損傷能力，以最小化光束尺寸；低的膜層應(yīng)力和良好的均勻性，以最小化波前畸變。針對(duì)這些要求，項(xiàng)目組重點(diǎn)開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作：

(1)良好的膜系設(shè)計(jì)和高精度的膜厚控制是獲得理想光譜性能的關(guān)鍵。在膜系設(shè)計(jì)方面，針對(duì)光譜性能要求，結(jié)合膜層應(yīng)力和抗激光損傷性能的要求，對(duì)高性能高損傷閾值介質(zhì)激光薄膜開(kāi)展了綜合設(shè)計(jì)。在膜厚控制技術(shù)方面，提出了一種光控-晶控綜合膜厚監(jiān)控方法和一種基于多個(gè)控制片的高精度膜厚監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)了膜層厚度的精確控制，能夠獲得與理論設(shè)計(jì)接近的光譜性能[11]。

(2)各種類(lèi)型的缺陷是薄膜激光損傷的主要誘因，研究人員以系統(tǒng)工程的思路出發(fā)，從鍍膜前、鍍膜中和鍍膜后對(duì)產(chǎn)生薄膜缺陷的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分解，通過(guò)對(duì)基片清洗、材料噴濺抑制、沉積參數(shù)和后處理技術(shù)等方面的技術(shù)攻關(guān)以及工藝集成，實(shí)現(xiàn)了低缺陷薄膜的制備。此外，研究了薄膜元件的激光預(yù)處理技術(shù)，通過(guò)逐步抬升輻照節(jié)瘤缺陷的能量，對(duì)節(jié)瘤缺陷實(shí)現(xiàn)一個(gè)“不可見(jiàn)”的穩(wěn)定過(guò)程，進(jìn)而提升薄膜元件的功能性損傷閾值[12]。

基底應(yīng)力穩(wěn)定是薄膜元件應(yīng)力穩(wěn)定的前提條件。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于熱循環(huán)處理的基底面形穩(wěn)定性檢驗(yàn)方法。此外，結(jié)合薄膜應(yīng)力匹配和應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)膜元件的面形穩(wěn)定控制，并攻克了大口徑偏振膜膜層龜裂的重大技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)大口徑偏振片從無(wú)到有的突破。研制的偏振膜元件在2012年和2013年的全球性激光損傷閾值競(jìng)賽中均獲得p分量和平均損傷閾值最佳的成績(jī)[13]。

4.2.2 化學(xué)膜

KDP/DKDP晶體元件化學(xué)涂膜突破了批量溶膠制備工藝穩(wěn)定性、折射率調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了晶體化學(xué)膜光譜性能的優(yōu)化和膜層損傷閾值的有效提升?；谌苣z復(fù)合配方、固化處理工藝抑制膜間滲透，實(shí)現(xiàn)了旋涂工藝的突破，以及DKDP晶體化學(xué)膜“三波長(zhǎng)”透過(guò)率的最大化[14]。研制的三倍頻減反膜在2010年全球性激光損傷閾值競(jìng)賽中取得最佳結(jié)果。

5 氙 燈

我國(guó)的神光系列裝置采用大量脈沖氙燈作為激光泵浦源。一支高功率脈沖氙燈需要在幾納秒內(nèi)輸入超過(guò)一萬(wàn)焦耳的能量，并高效輻射出足夠的能源以使釹玻璃放大器的增益系數(shù)足夠大。大型高功率激光系統(tǒng)往往需要大量的高功率脈沖氙燈，任何一支脈沖氙燈的失效都會(huì)直接影響到整個(gè)高功率激光裝量的工作性能。

針對(duì)脈沖氙燈的性能和可靠性要求，項(xiàng)目組重點(diǎn)開(kāi)展了高溫金屬封接技術(shù)的相關(guān)工藝研究，通過(guò)引進(jìn)“二次金屬化”工藝、優(yōu)化金屬化工藝參數(shù)、改進(jìn)金屬化膜層與焊料的潤(rùn)濕性能，以及優(yōu)化釬焊結(jié)構(gòu)等手段，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃基體與金屬化膜層的結(jié)合力和應(yīng)力控制，解決了封接區(qū)的漏氣問(wèn)題，提高了金屬封接組合體的機(jī)械強(qiáng)度和氣密性，并經(jīng)過(guò)多批次的考核和工藝優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝定型。

最后，針對(duì)脈沖氙燈的制燈關(guān)鍵工序(氙燈熔封成型、激光焊接、耐高壓燈頭制備等)開(kāi)展機(jī)械化研究，建成了一條機(jī)械化的脈沖氙燈批量制造流程線(xiàn)。

6 檢 測(cè)

針對(duì)大口徑光學(xué)元件工序檢及終檢的檢測(cè)需求，采用的多項(xiàng)關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)如下：

(1)基于光學(xué)輪廓儀實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、高精度、高穩(wěn)定性的平面類(lèi)元件中頻波前誤差(PSD2)的檢測(cè)[15]。大口徑高平行度光學(xué)元件透/反射波前檢測(cè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，避免了大口徑高平行度光學(xué)元件自干涉條紋對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，解決了大口徑平面元件帶角度檢測(cè)時(shí)受限于檢測(cè)平臺(tái)尺寸及干涉條紋對(duì)比度的技術(shù)難題。建立了米級(jí)元件加工和鍍膜面形拼接檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了米級(jí)元件加工和鍍膜全口徑的面形檢測(cè)。

(2)研制了BSG綜合診斷平臺(tái)，長(zhǎng)焦距透鏡焦距檢測(cè)、光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)、晶體光吸收系數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，連續(xù)位相板高分辨率波前、釹玻璃包邊剩余反射率以及氙燈可靠性考核平臺(tái)等工程性樣機(jī)。

(3)初步構(gòu)建了ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置用光學(xué)元器件參數(shù)檢測(cè)的全覆蓋體系，形成了37項(xiàng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)軍標(biāo)GJB中物標(biāo)/ZWB慣約標(biāo)/GYB)，涵蓋四大主材(釹玻璃、UBK7/K9、晶體和熔石英)、五大類(lèi)光學(xué)元件(釹玻璃片、介質(zhì)膜元件、熔石英元件、晶體元件和位相元件)的五大特性(幾何參量、波面質(zhì)量、光譜特性、損傷特性和表面質(zhì)量)以及氙燈主要特性的全流程參數(shù)。

7 總 結(jié)

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，我國(guó)已經(jīng)初步完成了大口徑光學(xué)元件工序檢及終檢全流程檢測(cè)體系和檢測(cè)設(shè)備的建設(shè)，具備了自主提供金屬鉿、磷酸鹽等重要原材料，以及激光釹玻璃、K9玻璃、熔石英和晶體四大主材的能力。ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置用的絕大部分光學(xué)元器件全流程工藝定型所需的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，其研發(fā)和生產(chǎn)能力得到了顯著提升，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。這些成果為我國(guó)未來(lái)ICF激光驅(qū)動(dòng)裝置的建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Progress on optical components for ICF laser facility

SHAO Jian-da1*, DAI Ya-ping2, XU Qiao3

(1.ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China;2.ResearchCenterofLaserFusion,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China;3.ChengduFineOpticalEngineeringResearchCenter,Chengdu610000,China) *Correspondingauthor,E-mail:jdshao@siom.ac.cn

To improve the beam quality and output powers of driving optical components for Inertial Confinement Fusion (ICF) laser facilities, this paper introduces the construction, operation and performance enhancement of SG series laser facilities in China. It reviews the research working and developments of optical components for the ICF laser facilities in recent years. These workings involve the preparation of raw materials, such as high purity metal hafnium(Hf) and Potassium Dihydrogen Phosphate(KDP), and the melting, processing and growing of four kinds main materials, including neodymium glass, high purity KDP, fused quartz and KDP/DKDP (doped deuterium KDP). For fabrication of the optical components, it describes the cold machining technology for neodymium glass, white glass, KDP crystals and the coating technology for dielectric films and chemical films. Finally, the paper also focuses on some key test technologies of the large diameter optical components in process inspection and final inspection. These key technologies and machining processing proposed in this paper meet the most requirements of the optical components in whole machining process and improve the development and production capacities of optical components in ICF laser facilities.

Inertial Confinement Fusion (ICF) laser facility; optical component； material preparation; optical test; review

2016-10-26；

2016-11-17.

國(guó)家科技專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目

1004-924X(2016)12-2889-07

TL632; TN305.2

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2889

邵建達(dá)(1964-)，男，浙江寧海人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事ICF激光驅(qū)動(dòng)器用光學(xué)元器件的相關(guān)研究工作。E-mail: jdshao@siom.ac.cn