ООО Чунцин Саньхан Оптоэлектронная Технология
Корпус 25, Цзиндунфан проспект 399, район Бэйбэй, город Чунцин
ООО Чунцин Саньхан Оптоэлектронная Технология
Корпус 25, Цзиндунфан проспект 399, район Бэйбэй, город Чунцин
2026-03-24
1. Основные потребности и особенности производства оптических изделий
Важные потребности в области производства оптики
Технологии производства оптических изделий, являясь основой современной точной промышленности, оказывают глубокое влияние на развитие таких ключевых областей, как лазерный термоядерный синтез, космическое наблюдение Земли, исследование дальнего космоса и литография в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. На фоне обострения глобальной научно-технической конкуренции технологии производства оптических изделий постоянно преодолевают традиционные ограничения, развиваясь в направлении повышения точности и качества поверхности. Точность формы и качество поверхности оптических элементов стали важным показателем уровня высокотехнологичного производственного потенциала страны.
Системы мощных лазеров являются типичным примером технологий сверхточной обработки, и в обеспечении их ключевых характеристик (таких как стабильность, выходная мощность и качество луча) решающую роль играют технологии сверхточной обработки оптических элементов. На примере установок для лазерного термоядерного синтеза можно отметить, что линзы большого диаметра должны обладать чрезвычайно высокой точностью формы и шероховатостью поверхности на уровне менее одного нанометра, при этом точность сборки и настройки элементов должна достигать уровня микрорадиантов, а система должна сохранять долгосрочную стабильность при работе на высокой мощности.
В области космической оптической дистанционной разведки и исследования дальнего космоса к характеристикам оптических элементов оптических систем предъявляются все более высокие требования. Это проявляется, в частности, в следующих аспектах: диаметр увеличивается и уже превышает 4 м; степень облегчения конструкции растет с прежних 60 % до более 85 % в настоящее время; требования к точности формы поверхности становятся все более строгими — с 0,020 λ RMS (среднеквадратичное отклонение) до менее 0,01 λ RMS.
В области экстремально-ультрафиолетовой литографии ядром литографической системы является высокоточная система зеркал, обычно состоящая из нескольких сверхгладких зеркал. Эти зеркала требуют сверхточной обработки и нанесения специальных покрытий для обеспечения чрезвычайно высокого коэффициента отражения и низкого уровня рассеяния. Пик-долина (PV) точности формы поверхности этих зеркал составляет менее 1 нм, а шероховатость поверхности должна контролироваться на уровне ниже 0,1 нм (RMS). Любые мельчайшие дефекты, такие как неровности на атомном уровне, приводят к рассеиванию света и ухудшают разрешение изображения.
В целом, предельные технические характеристики такого важнейшего оборудования, как мощные лазерные системы, космические оптические системы и литографы в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, ставят перед технологиями сверхточной обработки практически невыполнимые задачи; эти требования свидетельствуют о стремительном развитии технологий производства оптики в направлении производства на атомном уровне.
Особенности передового ультрапрецизионного производства в области оптики
В связи с растущим спросом на производство оптических элементов в настоящее время основные типы их форм включают плоские сферические, асферические, цилиндрические, конические, свободные поверхности и многие другие. Разнообразие характеристик и требований к оптическим элементам ставит перед технологиями их сверхточной обработки серьезные задачи. Их особенности и проблемы заключаются в следующем:
◆ Низкая частота и высокая точность
Использование оптических элементов со сложной формой и большим углом наклона предъявляет жесткие требования к точности волнового фронта оптической системы, что создает серьезные проблемы для технологий высокоточного изготовления отдельных поверхностей элементов, высокоточного контроля их формы, а также технологий компоновки и подгонки элементов на системном уровне.
◆ Среднечастотная мелкая текстура
Оптические элементы, используемые в таких областях, как мощные лазеры, предъявляют более высокие требования к контролю средних частот по сравнению с традиционными элементами, что создает серьезные проблемы для технологий формовки с минимальным повреждением устройств, сглаживания погрешностей средних частот, а также высокоточных измерений и корректировки погрешностей средних частот.
◆ Высокочастотный сверхгладкий
По сравнению с традиционными оптическими элементами, оптические элементы, используемые в таких областях, как экстремально-ультрафиолетовая литография, предъявляют чрезвычайно высокие требования к низкому уровню дефектов и сверхгладкости, что создает огромные проблемы для технологий формования с минимальным повреждением, технологий контроля повреждений при полировке, технологий обработки сверхгладких поверхностей и технологий очистки.
◆ Высокая точность положения
Сферы применения оптических элементов предъявляют более строгие требования к точности относительного положения оптических поверхностей по отношению к эталонам для монтажа и регулировки, что создает значительные сложности для технологий передачи и контроля эталонов на всех этапах обработки и контроля.
◆ Высокая точность положения
Сферы применения оптических элементов предъявляют более строгие требования к точности относительного положения оптических поверхностей по отношению к эталонам для монтажа и регулировки, что создает значительные сложности для технологий передачи и контроля эталонов на всех этапах обработки и контроля.
2. Современное состояние развития технологий сверхточной обработки
Технологии изготовления материалов для оптических элементов
В настоящее время производственные мощности по массовому изготовлению оптического стекла больших размеров в мире крайне сконцентрированы: технологии серийного производства продукции диаметром 600 мм и более освоили лишь такие компании, как американская «Корнинг» (Корнинг), немецкая «Хераус» (Герей), японская «Охара» (Охара) и немецкая «Шотт» (Schott). Благодаря таким характеристикам, как превосходная оптическая однородность (крайне низкие колебания показателя преломления), крайне низкий коэффициент теплового расширения и крайне низкое содержание гидроксильных групп, демонстрируемым материалами различных серий, продукция этих компаний стала основным материалом для изготовления ключевых оптических элементов в различных оптических системах.
Возьмём, к примеру, высококачественное кварцевое стекло с низким содержанием гидроксильных групп, высокой оптической однородностью, высокой пропускаемостью и низким уровнем остаточного напряжения: его производственный процесс сложен, а технология изготовления требует больших технических усилий. Хотя теоретически существует три метода получения кварцевого стекла с низким содержанием гидроксильных групп (непрямой метод, прямой метод PCVD, метод электроплавления синтетического кварцевого песка), в настоящее время только несколько стран, таких как США, Япония и Германия, владеют технологиями стабильного серийного производства, причем все они используют технологию газофазного синтеза по непрямому методу VAD (аксиальное осаждение из паровой фазы). Основные эксплуатационные характеристики приведены в таблице 1.
Отечественные производители традиционного кварца в основном используют технологию CVD (химическое осаждение из газовой фазы) с прямым методом. В силу особенностей этого технологического процесса повысить чистоту кварцевой продукции довольно сложно; кроме того, механизм реакции обусловливает высокое содержание гидроксильных групп в продукции, в результате чего крупногабаритное кварцевое стекло с низким содержанием гидроксильных групп по-прежнему в основном импортируется.
Технология сверхточной формовки
Типичные оптические элементы характеризуются сложной формой кривых поверхностей, большим углом наклона, переменной кривизной, твердостью и хрупкостью материала, а также требуют высокой точности формы поверхности, высокого качества поверхности и высокой устойчивости к повреждениям от лазерного излучения. Для изготовления таких элементов применяется комбинированный технологический процесс, состоящий из прецизионного/ сверхточной шлифовки и сверхточной полировки. Шлифование позволяет эффективно удалять материал и обеспечивать точность формы поверхности элемента, а полировка — достигать нанометровой шероховатости поверхности и устранять поврежденный подповерхностный слой, образовавшийся в результате шлифования.
Сверхточная шлифовка — это метод обработки, при котором точность формы шлифованной поверхности составляет менее 1,0 мкм, шероховатость поверхности Ra — менее 25 нм, а глубина подповерхностного повреждения близка к нулю; он в основном применяется для прецизионной и сверхточной обработки твердых и хрупких материалов. В области сверхточной шлифовки твердых и хрупких оптических элементов за рубежом ведущую роль играют такие вузы, как Бременский университет (Германия) и Крэнфилдский университет (Великобритания), а также такие компании, как Крэнфилд Пресижн (Великобритания), Мур (США), Прецитек (США), японская компания Нагасей, немецкие компании Шнайдер Оптомеханик и Сатислох, а также Юнайтед Гриндинг и другие компании, занимающиеся производством сверхточных и точных шлифовальных станков, провели систематические и всесторонние исследования технологий сверхточной шлифовки и сверхточных шлифовальных станков, которые успешно применяются для обработки астрономических зеркал диаметром до нескольких метров, инфракрасных оптических линз размером в сотни миллиметров и поверхностей со свободной кривизной, а также массивов микролинз размером в десятки миллиметров и микроструктурных функциональных поверхностей. Это позволяет достигать точности формы поверхности на уровне субмикрон и шероховатости поверхности на уровне нанометров. В Китае университеты, такие как Харбинский технологический университет, Университет Хунань и Далинский технологический университет, а также научно-исследовательские институты, в том числе Институт оптики, точной механики и физики Китайской академии наук в Чанчуне (сокращенно «Чанчунский институт оптики»), 508-й научно-исследовательский институт 5-го научно-исследовательского центра Китайской корпорации аэрокосмической техники (сокращенно «Аэрокосмический институт 508»), Институт оптоэлектронных технологий Китайской академии наук (далее «Чэндуский институт оптоэлектроники») и другие научно-исследовательские институты провели систематические исследования в области изготовления сверхточных компонентов из твердых и хрупких материалов, таких как оптические элементы, и успешно применили их в обработке обтекателей ракет, шлифовании кремниевых пластин, изготовлении крупногабаритных зеркал астрономических телескопов из карбида кремния, а также в обработке оптических элементов различных размеров и из разных материалов. Сверхточная шлифовальная обработка оптических элементов требует обеспечения согласованного контроля точности формы поверхности, обеспечивающей оптические функции, качества поверхности и деформации при прецизионном шлифовании. В настоящее время как в Китае, так и за рубежом существуют значительные различия в области технологий сверхточной шлифовальной обработки, контроля дефектов и формовки с низким уровнем напряжений.
Технология сверхточной полировки
Сложная конструкция оптических элементов, их высокая крутизна и переменная кривизна требуют точности формы и положения на уровне субмикрон, погрешности во всем диапазоне частот на уровне нанометров, а также практически полного отсутствия (суб)поверхностных дефектов, что делает сверхточную обработку чрезвычайно сложной. Как правило, при использовании технологий полировки с помощью пневматических подушек или струйных потоков удается быстро удалить поврежденный слой, образовавшийся в результате шлифования, и быстро повысить чистоту поверхности, сохранив при этом точность исходного контура после шлифования; магнитореологическая/ионно-струйная полировка обеспечивает высокоточную коррекцию погрешностей формы поверхности, особенно в низко- и среднечастотном диапазоне; полировка с помощью малых инструментов позволяет устранять погрешности в виде полос на гладкой поверхности при условии сохранения формы, что делает погрешности формы гладкими и поддающимися коррекции. Основными вызовами сверхточной полировки являются контроль дефектов поверхности и подповерхности оптических элементов в условиях структурных ограничений, а также определение и контроль контура всей поверхности с нанометровой точностью во всем частотном диапазоне.
Для сверхточной полировки оптических элементов за рубежом разработано необходимое основное оборудование, которое по своим функциям и характеристикам в целом способно удовлетворить потребности в полировке. Например, такие компании, как американская QED Технолоджис Интернэшнл Инк., немецкая NTG Новая технология ГМ, британская ООО «Zeeko» и американская «Оптимакс Системс»., разработали самые передовые в мире устройства для магнитореологической полировки, полировки ионным пучком, полировки с использованием пневматических подушек/струй, а также оборудование для обработки мелких деталей, обеспечивающие высокую точность обработки оптических элементов со сложной поверхностью. Многие отечественные организации также ведут работы по разработке оборудования для сверхточной полировки сложных поверхностей, однако из-за ограничений на импорт отечественные разработки отстают от передового зарубежного уровня. Что касается оборудования для магнитореологической полировки, то существуют такие проблемы, как низкая эффективность и плохая стабильность небольших магнитореологических полировальных головок, серьезное искажение функции удаления при обработке поверхностей и недостаточно широкий диапазон углов наклона обрабатываемых поверхностей; в отношении оборудования для ионно-струйной полировки существуют проблемы с регулированием небольшого пятна луча и загрязнением от распыления примесей; в отношении оборудования для струйной полировки существуют проблемы низкой эффективности удаления, а также недостаточной стабильности и надежности. Кроме того, технологии комбинированной полировки оптических элементов находят широкое применение. Научно-исследовательские институты, такие как Чэндуский институт оптоэлектроники и Чанчунский институт оптической механики, а также ведущие отечественные предприятия, например, Чанггуан Цзичжи Оптические технологии. и Пекинская компания «Гуован» по оптическим технологиям., используют различные методы полировки для изготовления асферических оптических элементов с нанометровой точностью. Точность изготовления типовых устройств, таких как объективы для фотолитографии, может достигать значений среднеквадратичного отклонения (RMS) менее 2 нм. В будущем необходимо сосредоточиться на ключевых характеристиках точности и целостности, влияющих на рабочие параметры элементов, преодолеть ключевые технологические проблемы отдельных процессов полировки, оптимизировать процессы комбинированной обработки на основе совместного управления несколькими показателями, повысить точность и предсказуемость полировки оптических элементов, сократить производственный цикл и удовлетворить потребности систем в серийном производстве оптических элементов.
Технологии сверхточной диагностики
Качество оптических элементов напрямую влияет на эффективность и стабильность всей оптической системы. Для обеспечения соответствия техническим характеристикам и высокой надежности оптических элементов в процессе их практического применения чрезвычайно важную роль играют технологии сверхточной проверки оптических элементов.
Технологии точной проверки оптических элементов в основном подразделяются на два направления:
1. Технологии контроля производственных характеристик самих деталей, такие как контроль геометрических параметров, контроль формы поверхностей, контроль дефектов и т. д.;
2. Методы испытаний, ориентированные на эксплуатационные характеристики компонентов, такие как испытания на устойчивость к повреждениям, испытания на приспособленность к условиям окружающей среды и т. п.
Благодаря многолетнему развитию самой отрасли оптического производства, система технологий контроля, ориентированная на показатели изготовления компонентов, достигла высокой степени зрелости; как в стране, так и за рубежом имеется множество контрольных стандартов и примеров, на которые можно опираться. Для контроля геометрических параметров компонентов, таких как радиус кривизны, смещение оси и эксцентриситет, в основном используются контактные координатно-измерительные машины, контурные измерители и бесконтактные оптические контурные измерители, точность которых может достигать уровня нескольких десятков микрометров. Что касается контроля формы поверхности, интерферометрия в настоящее время признана методом с самой высокой точностью. В настоящее время ошибки формы поверхности в средне- и низкочастотном диапазоне в основном контролируются с помощью интерферометров типа Физо, точность которых может достигать нанометрового уровня, а высокочастотные ошибки — с помощью интерферометров белого света, разрешение которых может достигать 0,1 нм. По мере постепенного повышения требований к проектированию оптических систем в них все чаще применяются элементы со сложной поверхностью. При контроле сложных поверхностей традиционные методы интерферометрического контроля сталкиваются с такими проблемами, как несовершенство теории контроля, низкая универсальность и отсутствие признанных стандартов, в то время как новые оптические бесконтактные профилометры, хотя и обладают высокой универсальностью для различных типов поверхностей, по-прежнему сталкиваются с проблемой недостаточной точности контроля.
Что касается проверки эксплуатационных характеристик оптических элементов, то для определения их повреждаемости требуется чувствительность обнаружения поверхностных дефектов на уровне субмикрон, а также возникают новые требования к выявлению подповерхностных дефектов, объемных дефектов и дефектов, связанных с поглощением материала. Существующие методы обнаружения дефектов, как в международных, так и в отечественных стандартах, по-прежнему в основном опираются на визуальный контроль, что приводит к таким проблемам, как низкая чувствительность, недостаточная повторяемость, высокий уровень пропущенных дефектов и низкая эффективность. Решение задачи обеспечения многомодального, высокоточного и высокоэффективного обнаружения различных типов дефектов является одной из основных проблем в области контроля оптических элементов.
В целом, технологии контроля оптических элементов должны не только обеспечивать проверку стандартных показателей, таких как форма поверхности и геометрические параметры, но и, в связи с эксплуатационными требованиями, предъявлять более высокие требования к обнаружению дефектов и повреждений. Это неизбежно требует прорывов в области новых технологий, принципов и методов сверхточной диагностики, что в конечном итоге позволит обеспечить контроль эксплуатационных характеристик и способствовать дальнейшему повышению качества оптических систем.
Технологии сверхточной обработки поверхностей
Под технологиями обработки поверхностей оптических элементов в основном подразумеваются технологии сверхточной нанесения покрытий. Для использования в оптических системах на поверхность оптических элементов необходимо нанести специально разработанные лазерные покрытия, такие как антибликовые, антиотражающие и спектральные покрытия.
На примере лазерных пленок, используемых в лазерной термоядерной энергетике, можно выделить две основные категории лазерных пленок в зависимости от характеристик источника света и механизмов повреждения: пленки для импульсных лазеров и пленки для лазеров непрерывного излучения.
Что касается пленок для импульсных лазеров, то основным технологическим решением как в Китае, так и за рубежом является использование технологии совместного испарения с помощью электронного пучка: под действием нагрева электронным пучком испаряемый материал осаждается на подложку, а с помощью нескольких источников испарения можно получить сложные многослойные покрытия. Команда специалистов по лазерным пленкам Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук (далее «Шанхайский институт оптики») успешно изготовила пленку размером 810 мм × 430 мм × 90 мм с коэффициентом пропускания p-поляризованного света выше 98%, коэффициентом экстинкции лучше 100:1, порог лазерного повреждения выше 14 Дж/см² (длина волны 1063 нм, ширина импульса 5 нс), пик-пропасть (PV) отраженной волны лучше 0,7λ, а пик-пропасть пропущенной волны лучше λ/3, что стало прорывом в области крупногабаритных лазерных поляризационных пленок в Китае. Университет Тунцзи также применяет композитные пленки в окнах с водяным охлаждением, обеспечивая высокий порог повреждения импульсного лазера в нестандартных условиях.
Около 2000 года Институт оптоэлектроники в Чэнду при поддержке соответствующих проектов начал исследования в области лазерных пленок большого диаметра; благодаря обновлению и итерации технологий, отражающие пленки для наносекундных импульсных лазеров, изготовленные методом электронно-лучевого осаждения, обладают такими характеристиками, как высокая однородность, высокий коэффициент отражения, высокий порог повреждения и высокая адаптивность к форме поверхности, и были успешно применены в адаптивных оптических подсистемах крупных лазерных проектов Китайского института инженерной физики, Институте физико-химических технологий Китайской академии наук и других организациях в рамках крупных лазерных проектов. Системные эксперименты подтвердили, что порог повреждения лазерной пленки в ближнем инфракрасном диапазоне при большом пятне составляет более 70 Дж/см². Что касается тонких пленок для непрерывных лазеров, порог повреждения пленки тесно связан с поглощением. Для снижения поглощения оптических пленок и оптических компонентов необходимо повысить коэффициент отражения и гладкость поверхности лазерной пленки, в связи с чем методом распыления стало основным средством. Французская лаборатория LMA с 2008 года занимается исследованием технологического подхода по легированию оксида тантала титаном. В 2017 году было публично сообщено о мелкосерийном производстве зеркал диаметром 350 мм для длины волны 1064 нм, причем поглощение лучших пленок составляло менее 0,3 ppm; эти зеркала были использованы в системе лазерной интерферометрической гравитационной обсерватории (LIGO). В Китае Шанхайский институт оптики и механики, Университет Тунцзи, Институт химической физики Китайской академии наук в Далине и другие организации поочередно публично сообщили, что с помощью технологии ионно-струйного напыления удалось снизить поглощение пленок, используемых в непрерывных лазерах, до уровня ниже 1 ppm.
3. Проведенные исследования и существующие проблемы
Проведенные ранее исследования
В Китае основными организациями, занимающимися разработкой и производством крупногабаритных оптических элементов и систем, являются Чанчунский институт оптики и механики, Чэндуский институт оптоэлектроники, Шанхайский институт оптики и механики, Нанкинский институт астрономической и оптической техники Китайской академии наук, Китайский институт инженерной физики, а также Китайская группа аэрокосмической техники и других организаций; однако по своим техническим характеристикам эти продукты по-прежнему значительно уступают зарубежным аналогам. Чанчуньский институт оптико-механических приборов разработал главный зеркало китайского обзорного космического телескопа (CSST) диаметром 2,05 м, плотность поверхности которого составляет всего 85,3 кг/м², Кроме того, Институт оптико-механических приборов Чанчуня впервые применил в крупных оптических системах гетероосевые инструменты, основанные на технологии компьютерного управления формовкой оптических поверхностей (CCOS), для подавления краевых эффектов, а также провел точную полировку параболического зеркала диаметром 1,5 м, в результате чего форма поверхности зеркала по всему апертуре превосходит λ/50 при 632,8 нм, а форма поверхности в среднем диапазоне частот — 0,64 мкрад (эффективная апертура). Институт оптоэлектронных технологий Китайской академии наук первым в стране начал исследования в области технологий напряженных дисков для крупных зеркал, сосредоточившись на производстве оптических систем наземных телескопов, и осуществил разработку 4-метрового асферического зеркала.
Учитывая особенности оптических элементов большого диаметра, Институт технологий прецизионной оптики Университета Тунцзи провел исследования по оптимизации процессов нанесения покрытий. Благодаря таким технологиям, как отжиг и легирование водородом, удалось в 16 раз повысить коэффициент поглощения аморфного кремниевого покрытия (при 1064 нм) и одновременно снизить механические потери; В области высокоточных тонкопленочных оптических систем для экстремального ультрафиолета (XUV) также была построена новая теоретическая модель отражения и рассеяния в пленке, что позволило реализовать изготовление XUV-зеркал, включая все этапы от токарной обработки и полировки до точной формовки. Разработанные плоские зеркала из монокристаллического кремния диаметром 240–500 мм достигают точности поверхности 1,2 нм.
Существующие проблемы
Разрыв между передовыми отечественными технологиями в области оптического производства и мировым уровнем в основном проявляется в таких аспектах, как ключевые технологии, основное оборудование, материалы и технологические процессы, а также взаимодействие в рамках производственной цепочки.
(1). Недостаточный уровень технических исследований
В Китае уровень технологий фундаментальных и механистических исследований в области разработки и производства материалов остается недостаточным, что свидетельствует о значительном отставании от передовых мировых стандартов. Ключевые технологии, направленные на контроль погрешностей во всем диапазоне частот, не имеют теоретического обоснования: с одной стороны, прорыв в отдельных технологиях сталкивается с препятствиями, а с другой — технические барьеры между различными технологиями не позволяют сформировать системную теоретическую модель межмасштабной связи погрешностей. Это конкретно проявляется в слабой способности к интеллектуальной оптимизации технологических процессов, а также в сложности обеспечения стабильности обработки в экстремальных условиях. Кроме того, исследования микроскопических механизмов удаления при полировке на атомном уровне (таких как квантово-механические эффекты и законы миграции поверхностных атомов) в Китае по-прежнему находятся на стадии экспериментальных наблюдений и не подкреплены теоретическими инструментами, такими как молекулярно-динамическое моделирование. Это сдерживает скачкообразное развитие отечественных технологий полировки от предельной точности и предельного качества поверхности к производству на атомном уровне.
(2). Недостаточный уровень оснащения
Многие виды высокотехнологичного оборудования в стране зависят от импорта, например, высокоточное оборудование для оптической обработки, контрольно-измерительное оборудование и оборудование для нанесения покрытий. Это не только увеличивает затраты на разработку, но и сдерживает развитие собственных научно-технических разработок в стране. На примере зеркал большого диаметра можно отметить, что вертикальный токарный станок LODTM, используемый в Национальной лаборатории Лоренса Ливермора (LLNL) в США, позволяет осуществлять обработку заготовок диаметром 1,65 м с точностью нанометрового уровня (<10 нм), в то время как отечественное оборудование значительно отстает по ключевым характеристикам, а после нескольких часов непрерывной работы наблюдается значительное отклонение точности. Контрольно-измерительное оборудование в основном зависит от нескольких европейских и американских компаний. Например, интерферометры американской компании Zygo обеспечивают повторяемость измерений до 60 пм, а абсолютная точность измерений некоторых продаваемых продуктов превосходит 1 нм; в настоящее время результаты измерений этой компании широко признаны в международном сообществе при поставках прецизионных оптических компонентов и систем. В области оборудования для нанесения покрытий передовой уровень в отрасли также представлен сериями машин немецкой компании Бюлер-Лейболд и японской компании Опторан. Что касается вышеупомянутых трех категорий оборудования, то, хотя в Китае есть производители, занимающиеся разработкой и производством аналогичных продуктов, уровень локализации ключевых компонентов остается низким, а технологический уровень по-прежнему значительно отстает. Предельная точность, достигаемая отечественным производственным оборудованием, по-прежнему уступает аналогичным зарубежным продуктам, а точность повторяемости и абсолютная точность измерений, обеспечиваемые отечественным контрольно-измерительным оборудованием, значительно ниже, чем у аналогичных зарубежных продуктов.
(3). Сотрудничество между промышленностью, наукой и образованием недостаточно тесное
Сотрудничество между промышленностью, наукой и образованием недостаточно тесно, в результате чего научные достижения многих вузов и научно-исследовательских институтов зачастую остаются на стадии лабораторных исследований. Существует технологический разрыв между передовыми исследованиями вузов и потребностями предприятий в области инженерных разработок, что не позволяет реализовать эти достижения в промышленности и приводит к низкой эффективности их внедрения. Низкая степень вовлеченности отечественных предприятий приводит к разрыву между рыночным спросом и направлениями научных исследований; пока не сформировалась замкнутая инновационная цепочка «фундаментальные исследования — разработка технологий — промышленное внедрение»; отсутствие платформы для сотрудничества между промышленностью, наукой и образованием, подобной американской «Национальной сети инноваций в производстве» (NNMI), сдерживает инженерное применение научных достижений. По сравнению с процессом разработки продукта на протяжении всего его жизненного цикла, финансовые учреждения, как правило, участвуют и вмешиваются на поздних этапах, в результате чего не сформировалась финансовая среда, благоприятствующая «раннему и небольшому инвестированию».
4. Рекомендации по дальнейшей работе
Чтобы как можно скорее догнать передовой мировой уровень, предлагается провести модернизацию отрасли производства передовых оптических элементов и решить проблемы, связанные с «узкими местами» в ключевых технологиях, в следующих пяти направлениях.
(1). Усиление стратегического планирования и политической поддержки
Государство должно разработать соответствующие целевые планы развития, четко определить цели и приоритетные задачи на ближайшие 5–10 лет, а также создать специальный фонд для поддержки научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области ключевых технологий и их внедрения в промышленность. Финансирование должно в первую очередь направляться на такие ключевые области, как разработка материалов, производство оборудования и оптимизация технологических процессов, чтобы обеспечить прорыв в области ключевых технологий. Необходимо создать новые междисциплинарные научно-исследовательские учреждения, ориентированные на крупные научные дисциплины и области, отказавшись в системном планировании от традиционных научно-исследовательских организаций, ориентированных преимущественно на одну дисциплину, и создав институциональные условия для интеграции фундаментальных исследований и инженерных приложений.
(2). Прорыв в области ключевых материалов и основных технологий
В области оптических материалов существует значительный разрыв с передовым мировым уровнем, что в основном проявляется в таких ключевых показателях, как чистота материала, оптическая однородность и термостабильность. Например, высококачественное оптическое стекло зарубежных производителей (таких как немецкая компания Шотт и японская компания Ohara) уже достигло нанометровой однородности и сверхвысокой светопроницаемости, в то время как отечественные продукты по-прежнему имеют значительные недостатки в плане контроля примесей и стабильности показателя преломления. Необходимо усилить исследования и разработки в области высокочистых сырьевых материалов, преодолеть технологические барьеры в области производства ключевых материалов. Следует внедрять и самостоятельно разрабатывать высокоточное оборудование для плавки, формования и контроля качества, повышая уровень производственных технологий. Благодаря вышеуказанным мерам можно постепенно сократить отставание от зарубежных стандартов, обеспечить повышение характеристик оптических материалов и достичь их самостоятельного контроля.
(3). Повышение потенциала в области производства оборудования
Разрабатывать самостоятельно высокотехнологичное оборудование, создавать специальные исследовательские проекты в области высокоточной оптической обработки, нанесения покрытий и контроля качества, а также концентрировать усилия на прорыве в ключевых технологиях. Содействовать замещению импортного оборудования отечественными аналогами, разрабатывать планы по замещению импортного оборудования, отдавать приоритет закупкам отечественной продукции и постепенно сокращать зависимость от импортного оборудования. Содействовать модернизации оборудования для скорейшего достижения уровня мировых лидеров и повышения производственных мощностей в области оборудования. Такие направления, как подавление повреждений под поверхностью, нанесение покрытий с высокой чувствительностью к дефектам, межмасштабная диагностика и контроль сверхвысокой чистоты, должны развиваться до уровня мировых лидеров. Разработать отраслевые стандарты для отечественного оптического оборудования (например, в соответствии с международными стандартами ISO), содействовать унификации интерфейсов ключевых модулей оборудования (таких как оптические линзы и лазеры) и снизить барьеры для их замены.
(4). Оптимизация технологических процессов и технических стандартов
В области сверхточной обработки оптических элементов необходимо провести исследования по оптимизации технологических процессов, разработать стандартизированные технологические схемы, а также повысить стабильность и надежность продукции. Следует организовать работу отраслевых экспертов по разработке технических стандартов для оптических элементов, охватывающих такие аспекты, как характеристики материалов, технологии обработки, методы контроля и обработку поверхностей, с целью содействия стандартизации отрасли и скорейшего создания в стране комплекта методов и системы оценки, применимых в сфере передового сверхточного производства оптических элементов.
(5). Укрепление взаимодействия между промышленностью, наукой и образованием и внедрение научных достижений
Поощрять создание совместных лабораторий или научно-исследовательских центров при участии вузов, научно-исследовательских институтов и предприятий, уделяя особое внимание разработке ключевых технологий и внедрению в промышленность оптических компонентов. Поддерживать ведущие предприятия в создании инновационных объединений, интегрирующих ресурсы всех звеньев производственной цепочки, для проведения совместных исследований. Поощрять участие научных сотрудников в технологических разработках предприятий, способствуя тесному взаимодействию между наукой и рынком. Поощрять участие финансовых учреждений на ранних этапах процесса внедрения научных достижений.
5. Подведение итогов и перспективы
Передовые технологии сверхточной оптической обработки являются основой современной точной промышленности, а их технический уровень напрямую определяет пределы возможностей страны в сфере высокотехнологичного производства и широту их применения. В настоящее время Китай добился определенных успехов в этой области, таких как успешная эксплуатация модернизированной установки «Шэньгуан-II», самостоятельное освоение технологии производства широкодиафрагменных лазерных поляризационных пленок, а также успешное применение технологий сверхточной полировки элементов со сложной поверхностью, что демонстрирует технический потенциал и инновационные способности отечественных научно-исследовательских команд. Однако по сравнению с мировым передовым уровнем в Китае по-прежнему существуют значительные отставания в таких областях, как производство ключевых материалов, разработка высокотехнологичного оборудования, контроль погрешностей во всем диапазоне частот и исследование динамики дефектов. «Узкие места» в технологии, представленные производством низкогидроксильного кварцевого стекла и зеркал большого диаметра, а также высокая зависимость от импорта контрольно-измерительного оборудования и оборудования для нанесения покрытий серьезно сдерживают самостоятельное и контролируемое развитие передовых оптических систем. Кроме того, недостаточная координация между промышленностью, наукой и образованием, отставание в стандартизации технологических процессов и нехватка междисциплинарных кадров еще больше затрудняют трансформацию технологий и модернизацию промышленности.
Для преодоления вышеупомянутых препятствий необходимо разработать комплексные решения, учитывающие различные аспекты. На стратегическом уровне следует усилить общее планирование, разработать специальные планы развития, увеличить финансовую и политическую поддержку, а также содействовать глубокой интеграции фундаментальных исследований и инженерных приложений. В области разработки ключевых технологий необходимо сосредоточиться на таких направлениях, как синтез высокочистых материалов, локализация оборудования для сверхточной обработки и технологии совместного производства в нескольких диапазонах частот, с целью преодоления ограничений по ключевым показателям, таким как однородность материалов, порог повреждения и точность оборудования. Одновременно следует ускорить создание системы технических стандартов, охватывающей всю цепочку «материалы — технологии — контроль — эксплуатация», и содействовать стандартизации и интеллектуализации процессов оптимизации технологий и контроля дефектов. В сфере совместных инноваций необходимо углубить механизмы сотрудничества между промышленностью, наукой и образованием, интегрировать междисциплинарные ресурсы на базе новых научно-исследовательских организаций, содействовать обмену технологиями и внедрению результатов исследований между вузами, научными институтами и предприятиями, сформировав благотворный цикл «востребованность — технологический прорыв — внедрение в промышленность».
В перспективе, благодаря последовательным прорывам в области новых материалов, технологий и интеллектуального оборудования, передовые технологии сверхточной оптической обработки выйдут на новый этап, характеризующийся более высокой точностью, меньшим повреждением и большей стабильностью. Благодаря совместным усилиям всех участников производственной цепочки Китай, как ожидается, сможет обогнать конкурентов в таких ключевых областях, как выращивание оптических материалов, бесконтактная обработка энергетическими полями и межмасштабное обнаружение дефектов, постепенно сокращая технологическое отставание от таких стран, как США и Германия. В конечном итоге, благодаря технологической самостоятельности и модернизации промышленности, оптические системы Китая будут играть более значительную роль в таких стратегических областях, как лазерный термоядерный синтез, космическое наблюдение Земли, исследование дальнего космоса и литография в крайнем ультрафиолете, внося вклад в развитие мировых оптоэлектронных технологий с помощью китайского опыта и китайских решений.
