原文刊載于《中國科學(xué)院院刊》2025年第5期專刊“建設(shè)世界科技強(qiáng)國”——專題“高端制造的現(xiàn)狀與未來思考”
張鑫1 海闊2* 李資政3 張瀛懷1 張斌智1 張?jiān)骑w2 臧仲明2 曾鵬2 吳明濤2 李凱隆2 閆力松4 陳太喜
1 錢宜剛5 焦宏飛61 季華實(shí)驗(yàn)室（先進(jìn)制造科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室）
2 中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所
3 中山大學(xué) 物理與天文學(xué)院
4 華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院
5 中天科技有限公司
6 同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院
隨著激光核聚變、空間對地觀測、深空探測、極紫外光刻等關(guān)鍵領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對高面形精度、高表面質(zhì)量光學(xué)元件需求的不斷增加，先進(jìn)光學(xué)超精密制造技術(shù)已成為國家高端制造領(lǐng)域的核心支柱。文章圍繞光學(xué)元件的材料制備技術(shù)、超精密成形、拋光、檢測及表面處理技術(shù)等方面，闡述了國內(nèi)先進(jìn)光學(xué)超精密制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)該領(lǐng)域存在的問題及應(yīng)對措施，對先進(jìn)光學(xué)超精密制造技術(shù)的下一個新階段進(jìn)行了展望，希望能引發(fā)該領(lǐng)域研究的一些思考。
一、光學(xué)制造的重大需求與特點(diǎn)
光學(xué)制造重大需求
光學(xué)制造技術(shù)作為現(xiàn)代精密工業(yè)的核心支柱，深刻影響著激光核聚變、空間對地觀測、深空探測、極紫外光刻等關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程。隨著全球科技競爭加劇，光學(xué)制造技術(shù)不斷突破傳統(tǒng)限制，向著高精度、高表面質(zhì)量方向邁進(jìn)，光學(xué)元件的面形精度和表面質(zhì)量已成為衡量國家高端制造能力的重要標(biāo)志。
強(qiáng)激光系統(tǒng)作為超精密制造技術(shù)的典型代表，在強(qiáng)激光系統(tǒng)的核心性能（如穩(wěn)定性、功率輸出及光束質(zhì)量）中，光學(xué)元件的超精密制造技術(shù)起著決定性作用。以激光核聚變裝置為例，大口徑透鏡需要實(shí)現(xiàn)極高面形精度與亞納米級表面粗糙度，同時對元件裝調(diào)精度要求達(dá)到微弧度量級，系統(tǒng)需在高功率下保持長期穩(wěn)定性。
在空間光學(xué)遙感及深空探測領(lǐng)域，光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)元件性能要求越來越高。主要表現(xiàn)在：口徑越來越大，已經(jīng)提高至4m量級以上；輕量化率越來越高，從以往的60%到如今85%以上；面形精度要求越來越高，從0.020λRMS（均方根）降至0.01λRMS以下。
在極紫外光刻領(lǐng)域，光刻系統(tǒng)的核心是高精度的反射鏡組，通常由多塊超光滑反射鏡組成。這些反射鏡需要經(jīng)過超精密加工和特殊鍍膜，以確保極高的反射率和低散射。這些反射鏡面形精度的峰谷值（PV）小于1 nm，表面粗糙度需控制在0.1 nm（RMS）以下，任何微小缺陷如原子級凹凸均會導(dǎo)致光線散射，影響成像分辨率。
綜合來看，強(qiáng)激光系統(tǒng)、空間光學(xué)系統(tǒng)、極紫外光刻機(jī)等重大裝備的極限技術(shù)指標(biāo)對超精密加工工藝提出了近乎嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，此類需求標(biāo)志著光學(xué)制造技術(shù)向著原子級制造的方向快速發(fā)展。
先進(jìn)光學(xué)超精密制造特點(diǎn)
伴隨著光學(xué)元件制造需求的增強(qiáng)，目前光學(xué)元件的主要形狀類型涵蓋平球面、非球面、柱面、錐面、自由曲面等多種類型。多樣化的光學(xué)元件特點(diǎn)、性能要求給光學(xué)元件的超精密制造技術(shù)帶來了極大挑戰(zhàn)。其特點(diǎn)與挑戰(zhàn)如下：
1、低頻高精度
形狀復(fù)雜、陡度高的光學(xué)元件的應(yīng)用場景對光學(xué)系統(tǒng)的波前精度提出嚴(yán)苛的制造要求，對元件的單鏡面形高精度制造技術(shù)、面形高精度檢測技術(shù)、系統(tǒng)級元件組合修配技術(shù)提出了很大挑戰(zhàn)。
2、中頻淺紋理
強(qiáng)激光等領(lǐng)域的光學(xué)元件相較于傳統(tǒng)元件對中頻控制要求更高，對器件低損傷成形技術(shù)、中頻誤差平滑技術(shù)、中頻誤差高精度測量與修整技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。
3、高頻超光滑
相較于傳統(tǒng)元件，極紫外光刻等領(lǐng)域的光學(xué)元件在低缺陷、超光滑方面要求極高，對低損傷成形技術(shù)、拋光損傷控制技術(shù)、超光滑表面處理技術(shù)、清洗技術(shù)等帶來巨大挑戰(zhàn)。
4、姿態(tài)高精度
光學(xué)元件的應(yīng)用場景對光學(xué)面與裝調(diào)基準(zhǔn)的相對位置精度提出了更為嚴(yán)格的制造要求，對加工檢測全流程基準(zhǔn)傳遞與控制技術(shù)帶來較大的挑戰(zhàn)。
圖1 先進(jìn)光學(xué)超精密制造特點(diǎn)
綜上所述，先進(jìn)光學(xué)制造區(qū)別于傳統(tǒng)元件的高精度制造要求也給技術(shù)、工藝和裝備的發(fā)展提供新的動力，面向先進(jìn)光學(xué)元件制造的技術(shù)應(yīng)具有3個特點(diǎn)：拋光去除量分布的高準(zhǔn)確性控制；去除函數(shù)效率和尺度的大范圍調(diào)控能力；表面光潔度和粗糙度的工藝控制方法。以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)光學(xué)元件控形控性全頻段高精度制造。同時，需要形成單項(xiàng)制造技術(shù)瓶頸突破為基礎(chǔ)、全制造流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的全鏈路協(xié)同制造能力提升的發(fā)展新范式。
二、超精密制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
光學(xué)元件材料制備技術(shù)
目前全球大尺寸光學(xué)玻璃的產(chǎn)業(yè)化制備能力高度集中，僅美國康寧公司（Corning）、德國賀利氏公司（Heraeus）、日本小原公司（Ohara）及德國肖特公司（Schott）等企業(yè)掌握600 mm以上口徑產(chǎn)品的批量生產(chǎn)技術(shù)。此類企業(yè)憑借其在不同系列材料所表現(xiàn)出的優(yōu)異光學(xué)均勻性（折射率波動極低）、極低熱膨脹系數(shù)和極低羥基含量等特點(diǎn)，已成為各類光學(xué)系統(tǒng)中關(guān)鍵光學(xué)元件的核心基材。
以低羥基、高光學(xué)均勻性、高透過率、低殘余應(yīng)力的高端的石英玻璃材料為例，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制備技術(shù)難度大。雖然理論上有3種低羥基石英玻璃可研制工藝（間接法、PCVD直接法、合成石英砂電熔法），但目前只有美國、日本、德國等少數(shù)國家掌握穩(wěn)定批量生產(chǎn)技術(shù)，且均采用VAD（軸向氣相沉積法）間接法氣相合成技術(shù)，其主要性能指標(biāo)如表1所示。
表1 國外主要廠家低羥基石英玻璃產(chǎn)品典型指標(biāo)
國內(nèi)傳統(tǒng)石英廠家以直接法CVD（化學(xué)氣相沉積法）生產(chǎn)工藝技術(shù)為主，受限于工藝機(jī)理，石英產(chǎn)品的純度的提升存在難度，同時其反應(yīng)機(jī)理決定了其產(chǎn)品羥基含量較高，大尺寸低羥基石英玻璃目前還主要依賴進(jìn)口。
超精密成形技術(shù)
典型光學(xué)元件具有曲面形狀復(fù)雜、高陡度、變曲率、材料硬脆，以及高面形精度、高表面質(zhì)量、強(qiáng)抗激光輻照損傷等制造要求，元件需要采用精密/超精密磨削—超精密拋光的復(fù)合工藝鏈方法進(jìn)行制造，磨削加工能夠高效去除材料并保證元件面形精度，而拋光加工能夠獲得納米級表面粗糙度并消除磨削亞表層損傷層。
超精密磨削是磨削表面形狀精度<1.0 μm、表面粗糙度Ra < 25 nm、亞表面損傷深度接近于零的加工方法，主要面向硬脆材料的精密超精密加工。在硬脆光學(xué)元件超精密磨削方面，國外以德國不萊梅大學(xué)、英國克蘭菲爾德大學(xué)為代表的高校，以英國克朗菲爾精密工程公司（Cranfield Precision），美國慕爾工業(yè)公司（Moore）、普瑞思泰克有限公司（Precitech），日本長瀨產(chǎn)業(yè)株式會社（Nagasei），德國施耐德光學(xué)機(jī)械公司（Schneider）及薩特隆公司（Satisloh）、聯(lián)合磨削集團(tuán)（United Grinding）等為代表的超精密及精密磨削機(jī)床公司對超精密磨削加工工藝及超精密磨削機(jī)床進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究，并成功應(yīng)用于直徑達(dá)數(shù)米的天文望遠(yuǎn)鏡子鏡、尺寸數(shù)百毫米的紅外光學(xué)透鏡及自由曲面、尺寸數(shù)十毫米的微透鏡陣列微結(jié)構(gòu)功能表面等一系列超精密光學(xué)元件的加工，能夠獲得亞微米級面形精度及納米級表面粗糙度。國內(nèi)以哈爾濱工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、大連理工大學(xué)等為代表的高校及中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（簡稱“長春光機(jī)所”）、中國航天科技集團(tuán)有限公司第五研究院第五〇八研究所（簡稱“航天508所”）、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所（簡稱“成都光電所”）等為代表的研究所都對光學(xué)元件等硬脆材料超精密元件的制造進(jìn)行了系統(tǒng)研究并成功應(yīng)用于導(dǎo)彈整流罩加工、硅片磨削、大尺寸碳化硅天文望遠(yuǎn)鏡反射鏡及多種尺寸、不同材料的光學(xué)元件加工。光學(xué)元件的超精密磨削成形需要實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能表面面形精度、表面質(zhì)量、精密磨削形變的協(xié)同控制，目前國內(nèi)外在超精密磨削工藝、缺陷控制、低應(yīng)力形變成形等方面都存在較大差距。
超精密拋光技術(shù)
對于光學(xué)元件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高陡度、變曲率等特點(diǎn)，要求形位精度達(dá)到亞微米級，全頻段誤差達(dá)到納米級，近無（亞）表面缺陷，超精密加工難度極大。一般地，元件采用氣囊/射流拋光技術(shù)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)器件磨削破壞層的快速去除及表面光潔度的快速提升，并且保持磨削后的初始輪廓精度；磁流變/離子束拋光實(shí)現(xiàn)表面面形誤差的高精度修形，尤其是低中頻誤差修正；小工具拋光在保形拋光前提下實(shí)現(xiàn)平滑表面的碎帶誤差，使得面形誤差平滑可修。超精密拋光主要存在的挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)約束下光學(xué)元件表面及亞表面缺陷控制和全表面輪廓全頻段納米精度確定性控制。
針對光學(xué)元件的超精密拋光，國外研制了所需要的核心裝備，從設(shè)備功能和性能上，基本上能滿足拋光需求。例如，以美國普瑞泰克國際有限公司（QED Technologies International Inc.）、德國NTG新技術(shù)有限公司（NTG Neue Technologien GmbH）、英國澤科有限公司（Zeeko Ltd）、美國OPTIMAX控股有限公司（Optimax Systems Inc.）等公司，研制了國際最先進(jìn)的磁流變拋光設(shè)備、離子束拋光設(shè)備、氣囊/射流拋光設(shè)備和小工具設(shè)備，具有較高的復(fù)雜曲面光學(xué)元件加工精度。國內(nèi)多家單位同時也在開展復(fù)雜曲面超精密拋光設(shè)備研發(fā)，然而受國外進(jìn)口限制，國內(nèi)設(shè)備研制與國外先進(jìn)水平有一定差距。在磁流變拋光裝備方面，存在小型磁流變拋光頭效率低、穩(wěn)定性差、曲面加工去除函數(shù)畸變嚴(yán)重、曲面傾角加工范圍不夠大等問題；在離子束拋光裝備方面，存在小束斑調(diào)控和雜質(zhì)濺射污染的問題；在射流拋光裝備方面，存在去除效率低、穩(wěn)定性和可靠性不高等問題。
此外，光學(xué)元件復(fù)合拋光工藝技術(shù)應(yīng)用廣泛，成都光電所、長春光機(jī)所等研究院所，國內(nèi)優(yōu)秀企業(yè)如長光集智光學(xué)科技有限公司、北京國望光學(xué)科技有限公司等都利用多類型拋光手段實(shí)現(xiàn)非球面光學(xué)元件的納米級精度制造，典型器件如光刻物鏡等制造精度RMS可達(dá)2 nm以下。未來需要聚焦影響元件性能的關(guān)鍵精度、完整性特性，攻克單項(xiàng)拋光工藝關(guān)鍵技術(shù)，基于多指標(biāo)協(xié)同控制優(yōu)化復(fù)合加工工藝，提高光學(xué)元件拋光精度、確定性，縮短制造周期，滿足系統(tǒng)對光學(xué)元件的批量制造需求。
超精密檢測技術(shù)
光學(xué)元件質(zhì)量直接影響整個光學(xué)系統(tǒng)的效率及穩(wěn)定性，為了保證光學(xué)元件在實(shí)際應(yīng)用過程中的性能達(dá)標(biāo)與高可靠性，針對光學(xué)元件的超精密檢測技術(shù)至關(guān)重要。光學(xué)元件精密檢測技術(shù)主要分為2個方面：
1. 面向元件本身制造指標(biāo)檢測技術(shù)，如幾何量檢測、面形檢測、缺陷檢測等；
2. 面向元件應(yīng)用性能指標(biāo)的檢測技術(shù)，如損傷性能檢測、環(huán)境適應(yīng)性檢測等。
隨著光學(xué)制造行業(yè)本身多年的發(fā)展，面向元件制造指標(biāo)的檢測技術(shù)的檢測體系非常成熟，國內(nèi)外都有眾多的檢測標(biāo)準(zhǔn)及案例可控參考。在元件曲率半徑、離軸量、偏心等幾何量檢測方面，主要采用接觸式三坐標(biāo)機(jī)、輪廓儀及非接觸式光學(xué)輪廓儀進(jìn)行檢測，檢測精度可達(dá)到幾十微米量級。在面形檢測方面，干涉儀是目前公認(rèn)的檢測精度最高的檢測方法，目前中低頻面形誤差主要是用菲索型干涉儀進(jìn)行檢測，精度可達(dá)到納米量級，高頻誤差則使用白光干涉儀進(jìn)行檢測，分辨率能夠達(dá)到0.1 nm。隨著光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求逐步提高，越來越多的復(fù)雜曲面元件被應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)，針對復(fù)雜曲面檢測常規(guī)干涉檢測方法面臨檢測理論不完善、檢測通用性差、缺乏認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)等問題，而新型的光學(xué)非接觸式輪廓儀雖然對各類曲面有較強(qiáng)的通用性，但仍面臨檢測精度不足的問題。
在元件應(yīng)用性能指標(biāo)檢測方面，損傷性能的檢測要求對光學(xué)元件表面缺陷檢測靈敏度要達(dá)到亞微米量級，對元件亞表面缺陷、體缺陷及材料吸收性缺陷等也提出了新的需求?，F(xiàn)有缺陷檢測不管是國際還是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，仍偏重于目視檢測，存在檢測靈敏度差、重復(fù)性不足、漏檢率高、效率低等問題。如何實(shí)現(xiàn)多類型缺陷的多模態(tài)、高精度、高效率檢測，是光學(xué)元件檢測面臨的一大挑戰(zhàn)。
綜合來看，光學(xué)元件檢測技術(shù)不僅需要完成面形、幾何量等常規(guī)指標(biāo)檢測，還因其使用要求，對其缺陷、損傷測試提出了更高要求，必然需要在超精密檢測環(huán)節(jié)上有新技術(shù)、原理及方法突破，最終實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用性能檢測，助力光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)一步提高。
超精密表面處理技術(shù)
光學(xué)元件表面處理技術(shù)主要指的是表面超精密鍍膜技術(shù)。光學(xué)表面必須鍍制特殊設(shè)計(jì)的激光薄膜如增透膜、減反膜、分光膜等，才能在光學(xué)系統(tǒng)中使用。
以應(yīng)用于激光核聚變的激光薄膜為例，根據(jù)光源性質(zhì)、損傷機(jī)理的不同，激光薄膜大致分為2類：脈沖激光薄膜與連續(xù)激光薄膜。
對于脈沖激光薄膜，國內(nèi)外主流技術(shù)方案是采用電子束共蒸發(fā)技術(shù)，通過電子束加熱、蒸發(fā)膜料使其沉積在待鍍膜基底上，使用多蒸發(fā)源即可實(shí)現(xiàn)復(fù)合膜層的制備。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡稱“上海光機(jī)所”）激光薄膜團(tuán)隊(duì)成功制備出尺寸為810mm×430mm×90 mm、p偏振光透射率高于98%、消光比優(yōu)于100∶1、激光損傷閾值高于14 J/cm2（波長1063 nm，脈寬5 ns）、反射波面峰谷值（PV）優(yōu)于0.7λ、透射波面PV優(yōu)于λ/3的偏振薄膜元件，實(shí)現(xiàn)了我國大尺寸激光偏振薄膜從無到有的突破。同濟(jì)大學(xué)也將復(fù)合薄膜運(yùn)用于水冷窗口，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)環(huán)境中脈沖激光的高損傷閾值。成都光電所2000年前后在相關(guān)項(xiàng)目支持下展開大口徑激光薄膜的研究，通過技術(shù)的更新、迭代，采用電子束蒸鍍技術(shù)制備的納秒脈沖激光反射薄膜具有高均勻性、高反射率、高損傷閾值和高面形適應(yīng)性等特點(diǎn)，成功應(yīng)用在中國工程物理研究院、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所等單位大型激光項(xiàng)目的自適應(yīng)光學(xué)分系統(tǒng)中，經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證激光薄膜的近紅外大光斑損傷閾值在70 J/cm2以上。
對于連續(xù)激光薄膜，薄膜的損傷閾值與吸收有著較為密切的關(guān)系，為降低光學(xué)薄膜及光學(xué)元器件吸收需要提升激光薄膜的反射率和表面光滑程度，為此濺射方案成為主要手段。法國LMA實(shí)驗(yàn)室從2008年開始研究在氧化鉭膜層中摻鈦的技術(shù)路線，在2017年的公開報(bào)道了直徑350mm的1064nm反射鏡小批量生產(chǎn)，最好的薄膜吸收0.3 ppm以下，運(yùn)用在了激光干涉引力波天文臺（LIGO）系統(tǒng)中。在國內(nèi)上海光機(jī)所、同濟(jì)大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位先后公開報(bào)道采用離子束濺射技術(shù)方案能將用于連續(xù)激光的薄膜吸收降至1ppm以下。
三、已有研究工作與存在問題
已有研究工作
國內(nèi)在大尺寸光學(xué)元件及系統(tǒng)的制造上主要研制單位包括長春光機(jī)所、成都光電所、上海光機(jī)所、中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所、中國工程物理研究院、航天科技集團(tuán)等，但該類產(chǎn)品在與國外產(chǎn)品指標(biāo)上依然存在不少差距。長春光機(jī)所研制口徑為2.05 m的中國巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）主鏡，面密度僅為85.3 kg/m2，且長春光機(jī)所首次在大型光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用了基于計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)（CCOS）的異質(zhì)軸工具來抑制邊緣效應(yīng)，并在φ1.5 m的拋物面反射鏡上進(jìn)行精細(xì)拋光，得到反射鏡全孔徑面形優(yōu)于λ/50 @632.8 nm，中頻面形優(yōu)于0.64 μrad（有效孔徑）。中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所在國內(nèi)率先開展大型反射鏡應(yīng)力盤技術(shù)研究，聚焦地基望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)制造，實(shí)現(xiàn)4 m非球面反射鏡的研制。
針對大口徑光學(xué)元件特點(diǎn)，同濟(jì)大學(xué)精密光學(xué)工程技術(shù)研究所開展了鍍膜工藝優(yōu)化研究，通過退火及摻氫等工藝有效將非晶硅膜的消光系數(shù)提升16倍（@1064 nm），同時降低機(jī)械損耗；在超紫外射線（XUV）高精度薄膜光學(xué)系統(tǒng)方面，也構(gòu)建了新的膜層反射與散射的理論模型，實(shí)現(xiàn)了XUV反射鏡加工，完成了從車削、拋光再到精確定形，所研制的240—500 mm單晶硅平面反射鏡面精度形達(dá)1.2 nm。
存在的問題
國內(nèi)先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)與國外先進(jìn)水平的差距主要體現(xiàn)在核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備、材料工藝及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多個維度。
1、技術(shù)研究水平不足
國內(nèi)在材料研制與制造層面基礎(chǔ)性、機(jī)理性研究技術(shù)水平不足，與國際先進(jìn)水平有顯著差距。面向全頻段誤差控制的關(guān)鍵技術(shù)缺乏理論指導(dǎo)，一方面單項(xiàng)技術(shù)的突破存在瓶頸，另一方面在多項(xiàng)技術(shù)之間的技術(shù)壁壘導(dǎo)致系統(tǒng)性的跨尺度誤差耦合理論模型尚未形成，具體表現(xiàn)為智能工藝優(yōu)化能力薄弱，以及面向極端工況的加工穩(wěn)定性難以保證等方面。此外，國內(nèi)對原子級拋光的微觀去除機(jī)制（如量子力學(xué)作用、表面原子遷移規(guī)律）研究仍停留在實(shí)驗(yàn)觀測階段，缺乏分子動力學(xué)模擬等理論工具支撐，這制約了國內(nèi)拋光技術(shù)從極限精度、極限表面質(zhì)量向原子級制造的跨越式發(fā)展。
2、裝備水平不足
國內(nèi)許多高端設(shè)備依賴進(jìn)口，如高精度光學(xué)加工設(shè)備、檢測設(shè)備及鍍膜設(shè)備等。這不僅增加了研制成本，還限制了國內(nèi)自主研制能力的提升。以大口徑反射鏡為例，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）采用的LODTM立式車床可實(shí)現(xiàn)1.65 m工件的納米級加工（<10 nm），而國產(chǎn)設(shè)備在關(guān)鍵性能上存在顯著差距，且連續(xù)工作數(shù)小時后精度漂移顯著。檢測設(shè)備主要依賴于歐美幾家公司，如美國Zygo公司的干涉儀測量重復(fù)精度可以達(dá)到60 pm，部分在售產(chǎn)品的絕對測量精度優(yōu)于1 nm，目前國際范圍內(nèi)精密光學(xué)元件與系統(tǒng)的交付普遍認(rèn)可該公司產(chǎn)品的檢測結(jié)果。鍍膜設(shè)備同樣以德國布勒萊寶公司的系列鍍膜機(jī)、日本光馳公司的系列鍍膜機(jī)為主的產(chǎn)品代表了行業(yè)的先進(jìn)水準(zhǔn)。以上3類設(shè)備，雖然國內(nèi)都有相關(guān)廠商生產(chǎn)、研制類似產(chǎn)品，但核心部件國產(chǎn)化率低且技術(shù)水平仍然具有較大差距，制造設(shè)備所能加工達(dá)到的極限精度與國外同類產(chǎn)品仍有一定差距，同時國產(chǎn)檢測設(shè)備所能實(shí)現(xiàn)的重復(fù)測量和絕對測量精度都顯著弱于國外同類產(chǎn)品。
3、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不夠緊密
產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不夠緊密，許多高校和科研院所的科研成果往往停留在實(shí)驗(yàn)室階段，高校前沿研究與企業(yè)工程化需求存在技術(shù)斷層而無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)而導(dǎo)致成果轉(zhuǎn)化效能低下。國內(nèi)企業(yè)參與度較低，導(dǎo)致市場需求與科研方向脫節(jié)，尚未形成“基礎(chǔ)研究—技術(shù)開發(fā)—產(chǎn)業(yè)化”的閉環(huán)創(chuàng)新鏈，缺乏像美國“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”（NNMI）那樣的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同平臺，制約了技術(shù)成果的工程化應(yīng)用。相比較于產(chǎn)品全周期研制過程，金融機(jī)構(gòu)往往參與和介入的較晚，沒有形成“投早投小”金融氛圍。
四、下一步工作建議
為了盡快趕超國外先進(jìn)技術(shù)水平，建議從以下5個方面進(jìn)行先進(jìn)光學(xué)元件產(chǎn)業(yè)升級和“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
1、加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與政策支持
國家應(yīng)出臺相關(guān)專項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃，明確未來5—10年的發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)，設(shè)立專項(xiàng)資金，支持關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。資金應(yīng)重點(diǎn)投向材料研發(fā)、裝備制造、工藝優(yōu)化等核心環(huán)節(jié)，確保關(guān)鍵技術(shù)的突破。建立以大學(xué)科、大領(lǐng)域?yàn)橹黝}的多學(xué)科交叉融合的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，在體系規(guī)劃上摒棄傳統(tǒng)的單一學(xué)科為主的科研單位，從體制上為從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的融會貫通創(chuàng)造條件。
2、突破關(guān)鍵材料與核心技術(shù)
光學(xué)基材領(lǐng)域與國外先進(jìn)水平存在顯著差距，主要體現(xiàn)在材料純度、光學(xué)均勻性、熱穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)上。例如，國外高端光學(xué)玻璃（如德國肖特公司、日本小原公司等）已實(shí)現(xiàn)納米級均勻性和超高透光率，而國內(nèi)產(chǎn)品在雜質(zhì)控制、折射率一致性等方面仍有顯著不足。應(yīng)加強(qiáng)高純度原材料研發(fā)，突破關(guān)鍵材料制備技術(shù)瓶頸。引進(jìn)并自主研發(fā)高精度熔煉、成型和檢測設(shè)備，提升制造工藝水平。通過以上措施，逐步縮小與國外差距，實(shí)現(xiàn)光學(xué)基材的性能提升和自主可控。
3、提升裝備制造能力
自主研發(fā)高端設(shè)備，針對高精度光學(xué)加工設(shè)備、鍍膜設(shè)備、檢測設(shè)備等，設(shè)立專項(xiàng)攻關(guān)項(xiàng)目，集中力量突破關(guān)鍵技術(shù)。推動設(shè)備國產(chǎn)化替代，制定設(shè)備國產(chǎn)化替代計(jì)劃，優(yōu)先采購國產(chǎn)設(shè)備，逐步減少對進(jìn)口設(shè)備的依賴。推動設(shè)備升級盡快實(shí)現(xiàn)跟跑狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)裝備制造能力提升，如亞表面損傷抑制、缺陷敏感鍍膜、跨尺度檢測、極高潔凈度控制等均要向頂尖水平發(fā)展。制定國產(chǎn)光學(xué)設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如對標(biāo)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)），推動設(shè)備核心模塊（如光學(xué)鏡頭、激光器）接口通用化，降低替換門檻。
4、優(yōu)化工藝與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
針對光學(xué)元件的超精密加工，開展工藝優(yōu)化研究，建立標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程，提高產(chǎn)品的一致性和可靠性。組織行業(yè)專家制定光學(xué)元件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋材料性能、加工工藝、檢測方法、表面處理等方面，推動行業(yè)規(guī)范化發(fā)展，盡快在國內(nèi)建立一套可應(yīng)用于先進(jìn)光學(xué)超精密制造行業(yè)的評價(jià)方法和評價(jià)體系。
5、加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合與成果轉(zhuǎn)化
鼓勵高校、科研院所與企業(yè)共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室或研發(fā)中心，聚焦光學(xué)元件的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。支持龍頭企業(yè)牽頭組建創(chuàng)新聯(lián)合體，整合上下游資源，開展協(xié)同攻關(guān)。鼓勵科研人員參與企業(yè)技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)技術(shù)與市場的緊密結(jié)合。鼓勵金融機(jī)構(gòu)在早期參與到成果轉(zhuǎn)化進(jìn)程中來。
五、總結(jié)與展望
先進(jìn)光學(xué)超精密制造技術(shù)是現(xiàn)代精密工業(yè)的核心支柱，其技術(shù)水平直接決定了國家高端制造能力的上限與應(yīng)用廣度。當(dāng)前，我國在該領(lǐng)域已取得階段性進(jìn)展，如神光Ⅱ升級裝置的成功運(yùn)行、大口徑激光偏振薄膜的自主突破，以及復(fù)雜曲面元件超精密拋光工藝的成功應(yīng)用，展現(xiàn)了國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)的技術(shù)積累與創(chuàng)新能力。然而，與國際頂尖水平相比，我國在關(guān)鍵材料制備、高端裝備研發(fā)、全頻段誤差控制、缺陷動力學(xué)研究等方面仍存在顯著差距。以低羥基石英玻璃、大口徑反射鏡制造為代表的“卡脖子”技術(shù)，以及檢測設(shè)備、鍍膜工藝設(shè)備對進(jìn)口的高度依賴，嚴(yán)重制約了先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的自主可控發(fā)展。此外，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同不足、工藝標(biāo)準(zhǔn)化滯后、跨學(xué)科人才短缺等問題，進(jìn)一步加劇了技術(shù)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)升級的難度。
為突破上述瓶頸，需從多維度構(gòu)建系統(tǒng)性解決方案。在戰(zhàn)略層面，應(yīng)強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，制定專項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃，加大資金與政策傾斜，推動基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的深度融合。在核心技術(shù)攻關(guān)上，需聚焦高純度材料合成、超精密加工裝備國產(chǎn)化、多頻段協(xié)同制造工藝等方向，突破材料均勻性、損傷閾值、裝備精度等核心指標(biāo)限制。同時，應(yīng)加速構(gòu)建覆蓋“材料—工藝—檢測—服役”全鏈條的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，推動工藝優(yōu)化與缺陷控制的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。在協(xié)同創(chuàng)新方面，需深化產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，依托新型研發(fā)機(jī)構(gòu)整合跨學(xué)科資源，促進(jìn)高校、院所與企業(yè)的技術(shù)共享與成果轉(zhuǎn)化，形成“需求牽引—技術(shù)突破—產(chǎn)業(yè)落地”的良性循環(huán)。
展望未來，隨著新材料、新工藝、智能裝備等技術(shù)的迭代突破，先進(jìn)光學(xué)超精密制造技術(shù)將邁向更高精度、更低損傷、更強(qiáng)穩(wěn)定性的新階段。通過全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同努力，我國有望在光學(xué)材料生長、非接觸能場加工、跨尺度缺陷檢測等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，逐步縮小與美、德等國的技術(shù)代差。最終，通過技術(shù)自主化與產(chǎn)業(yè)升級，推動我國光學(xué)系統(tǒng)在激光核聚變、空間對地觀測、深空探測、極紫外光刻等戰(zhàn)略領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為全球光電技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧與中國方案。
作者簡介
張 鑫 季華實(shí)驗(yàn)室總裝中心主任、副研究員。主要從事先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)集成制造技術(shù)方向的研究。
海 闊 中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所超精密研究中心副主任、高級工程師。主要從事復(fù)雜曲面強(qiáng)激光元件超精密制造技術(shù)。
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