9月11-13日，第25届中国国际光电博览会在深圳举行，在同期举办的“超精微纳光学前沿技术论坛”上， 香港理工大学工业及系统工程学系教授、超精密加工技术国家重点实验室副主任杜雪老师向我们介绍了光学自由曲面的超精密加工及应用。
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随着科技的飞速发展，微纳光学元器件的制备方法备受瞩目。其中，超精密加工技术以其卓越的加工精度和稳定的性能，已然成为主流的制备手段，同时也是表面微加工领域的重要研究方向。本次报告杜教授分享了超精密加工、自由曲面加工技术的研究方向以及微纳结构和自由曲面应用的相关内容。超精密加工技术主要是采用单点金刚石的加工技术，其中，加工挑战的重心在于其表面的精确处理。基于表面处理，我们经历了从简单的球面到复杂的非球面，再到如今的自由曲面及微纳结构的演变。特别是在自由曲面和微纳结构的加工上，面临着双重挑战：既要保证加工的精确性，又要解决曲面上的微小结构创建问题。当前，自由曲面已成为超精密加工技术发展的主流趋势。在光学、医学以及消费电子等领域，其应用广泛且日益增多。超精密加工技术现在主要是有哪些技术可以形成自由曲面和微纳结构？早期，单点金刚石切削、超精密磨削以及抛光是主要手段。如今，慢刀伺服和快刀伺服技术已成为主流的加工方式。针对自由曲面的制造，除了慢刀、快刀伺服，还有一种先进的飞刀铣削技术，采用五轴超精密加工技术。这种技术不同于传统的切削，它利用旋转的刀具以Fly Cutting的方法进行加工。这为复杂自由曲面的制造提供了新的可能。对于快刀伺服技术，快速刀具的运动配合为加工提供了强大支持，属于两轴半的加工方式。此外，当面临难加工材料时，磨削技术发挥了关键作用。微纳结构的制造同样离不开超精密抛光技术。通过设计不同的抛光头，可以实现微纳结构的精确制造。此外，铣削方法也被用于连接两个自由曲面。在本次报告中，杜教授详细介绍了团队在超精密加工和自由曲面加工技术方面的突破性研究。团队所研究的金刚石铣削伺服系统，可将工件置于主轴上，通过精密控制旋转工件和线型刀具的交互运动，可实现对工件尺寸精确控制。此系统针对快刀伺服中边缘加工的振幅问题，创新地引入了切削伺服技术，有效解决了这一问题，为制造各种微纳结构提供了有力支持。此外，团队还研发了空间三自由度振动辅助金刚石铣削系统。这一系统具备更高的复杂性，能够处理更为多变的微纳结构加工需求。特别是在仿生学微纳结构的制造上，其展现出了显著的优势。基于虚拟轴的刀具伺服系统也是团队研究的重点，通过调整其虚拟轴的设置，可以实现程序的灵活变更，进而调整对应的微纳结构，从而摆脱了对快刀伺服的依赖。值得一提的是，团队还开发了高速振动辅助超精密加工系统。该系统可应对高宽比较大的微纳结构加工难题，其工作频率高达3千赫兹，误差精度小于0.1%，并且支持在多个自由度方向上的运动。近期，团队还开发了一种新的加工方法——高频金刚石压印技术。这种方法既不涉及增材也不涉及减材，通过压印方式形成不同形状，每次压印都有角度变化，从而实现高防伪效果。此技术适用于高防伪、高价值产品的制造。这些技术的研发与进步展现了杜教授团队在超精密加工和自由曲面加工技术领域的深厚实力，他们的技术成果为行业应用的突破提供了强大的技术支持与有力保障！
在应用层面，杜教授团队致力于将微纳结构运用于实际问题解决中。在日常煮饭时，传统的锅具常因Leidenfrost效应导致水滴无法有效蒸发。然而，通过针对这一现象的深入研究，团队巧妙地运用微纳结构设计，开发出抑制Leidenfrost效应的高温热冷却装置。这种热装甲效应使得水珠能够迅速熔化，从而有效解决了这一长期未决的问题。
在微纳结构领域，自清洁效应同样研究的重要方向。团队通过在光学表面设计微纳结构，使得水珠能够自然滑落，这一技术已被广泛应用于汽车倒后镜及其他产品中。未来，团队将继续优化结构，防止病菌和灰尘在表面停留，以实现更高级的自清洁效果。
在创新型项目中，团队还借鉴了仿生学的理念。以蝴蝶为例，其美丽表面下隐藏着丰富的微纳结构，这些结构能够形成多样的颜色。受此启发，团队计划通过设计不同的微纳结构，实现表面颜色的创新表达。这种技术无需传统的印刷过程，只需通过压印，微纳结构即可呈现出独特的图案和颜色。
此外，自由曲面棱镜在多种现代技术中也有着广泛的应用。在头戴显示技术、近眼显示技术、虚拟现实技术、增强现实技术、混合现实技术以及全景镜头等领域，自由曲面棱镜都发挥着关键作用。其独特的结构设计能够提高光线的利用率，提升显示效果，为现代科技产品带来更佳的用户体验。
杜雪教授指出，当前在内地，超精密加工技术受到了广泛的关注和需求。众多学子纷纷回到学校或投身公司，积极投身于这一领域的技术研发。这表明超精密加工技术正处在需求旺盛的阶段，同时，该领域在多个领域仍有待进一步的突破与创新，为未来的科技发展提供更多可能性。
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