南極天文望遠鏡、空間引力波探測裝置、納米材料、高端精密設備……這一系列關鍵裝備的加工制造，都需要依靠超高精度的測量儀器對大量光學元件的各項參數進行測量。以往，超精密測量技術成為制約高端裝備制造發展的“卡脖子”問題。
近日，由上海理工大學光電學院莊松林院士領銜的韓森教授團隊與蘇州慧利儀器有限責任公司共建聯合實驗室所研發的國產化高端產品——數字化激光干涉儀進展順利。這一儀器從光學干涉基本原理出發，集成計量溯源的光源波長、數字化相移技術、計算機技術于一體，創新實現納米精度的非接觸式光學測量，填補了國內空白。據悉，這一“超高精度大口徑絕對面形光學標準計量關鍵技術及儀器”榮獲2023年度上海市科技進步一等獎。
眾所周知，高端制造業有三要素——材料、加工、測量，其中測量是前兩個環節都需要涉及的，所以，從這一角度來說，測量是高端制造業支柱中的支柱。中國裝備制造要實現突破，首先要解決制造質量問題，其核心關鍵就是超精密測量能力。“有裝備制造尤其是高端裝備制造的地方就需要精密的測量儀器，我們必須把核心技術掌握在自己手中。”韓森說道。隨著高端制造業的快速發展，產品表面性能推進到近原子尺度，精度要求遠遠高于基準，如何在低基準的條件下，實現高精度的測量？
數字化激光干涉儀
科研團隊針對中國高端檢測儀器和技術的需求，系統性地開展了模塊化激光干涉儀設計以及應用的關鍵技術的研究與攻關。“簡單來說，干涉儀就是將激光分為兩束，照射至需要測量的器件上，再匯合產生干涉，從而精確地測量出被測件表面的形貌誤差，包括平面、球面、柱面或者非球面。”韓森介紹。項目技術突破了標準計量經典極限，提出大口徑絕對面形自校準算法和一體式小像差光學設計方法，使絕對面形測量精度比國家一等平面平晶提高了6倍，PV值最高精度達到λ/120（λ=632.8nm）。同時，科研團隊發明了三點集束式PZT大出力（1000公斤級）微驅動相移技術，突破了重載荷機械相移測量瓶頸；創新研發了光學均勻性絕對測量技術，精度達到8*10-7量級。此外，科研團隊還開發了抗擾動性強的QHL檢測技術，破解了測量環境不穩定對檢測數據的干擾難題，使測量重復性精度提高10倍以上；突破了高精度參考面水平放置時產生自重變形對絕對測量結果的巨大限制，實現了無應力平面絕對測量。
上理工研發團隊
技術創新到市場，還有多遠的路需要走？“最后一公里”是科技成果轉化的普遍問題。近年來，韓森穿梭在學界與工業界之間，致力于超高精度測量技術的落地和發展。“早在2018年，上理工就與慧利儀器共建聯合實驗室，以人為紐帶，讓高校教授長期深度對接產業，更有利于盤活一系列資源。”韓森表示，在“大學教授”和“創業者”的雙重身份下，高校的基礎創新與企業的技術實踐緊密綁定，提高了科研成果轉化率和使用效益。
莊松林院士（右）在指導實驗室工作，并與韓森教授（左）討論實驗室發展規劃
目前，項目成果完成了數字化激光干涉儀的工程化，研制出多種口徑的商業化檢測儀器，實現“產學研用”的完美結合。相關產品及技術已經在國家計量單位、國家大科學裝置及工程、高精密光學機械加工行業等多家企事業單位進行推廣應用，有助于提升中國高端檢測儀器在市場的占有率，推動高精密檢測技術發展。
項目團隊還參與起草國家行業標準、國家平晶檢測規程和數字式球面干涉儀校準規范工作，填補國內空白。項目知識產權包括專利35項，論文152篇，文集21部，軟件著作權5項，標準規范19項。
上理工和蘇州慧利成立聯合實驗室，是產學研結合的體現之一
如今，項目已經實現了超高精度數字化激光干涉儀的工程化和產業化，創造了上億元直接和間接經濟效益，帶動了國內相關上市企業的產值。項目應用主要聚焦在國家級計量機構、科研院所、大科學裝置、高端工業檢測等領域，推動了企業產品標準化和中國品牌建設的發展，促進了高端光電儀器國產化，提高了國內外市場競爭能力，助推了國家標準計量行業科技進步。
