透镜是光学系统最基础的功能单元，已经被广泛应用于多个领域如成像、照明、光伏、视觉矫正等，并在空间光学占据重要地位。基于流体成形技术制得镜片的质量由分子聚合尺度决定，利用高分子液体表面的天然平滑性不需要抛光就能得到良好的表面，对于大口径光学透镜的快速制造具有重要意义。力学所微重力重点实验室对基于流体成形的光学透镜表面轮廓控制技术开展研究，相关研究成果以“Fluidic Shaping and Pressure-based Precision Control of Optical Lenses”为题发表在《Microgravity Science and Technology》。
研究团队利用浮力平衡重力模拟微重力环境，并通过精确调节光学聚合物液体上下界面的压差，引入了压力差控制面形的概念，可获得更多，更丰富的透镜面形。另外，由于光学高分子材料固化过程中的体积与密度会随着固化度与温度而变化，因此引入固化体积与热膨胀及固化收缩的关系，最终得到透镜成形过程中曲率变化的精确控制方程，解决了聚合物光学材料成形过程中变密度匹配控制问题。
通过压强差控制能丰富制备的透镜面形，研究也表明在微重力环境下基于流体成形能获得面形多样的高精度的透镜，从而将在轨制造拓展到空间光学系统，使其具有新的设计自由度，能更有效增强空间光学系统的运行与维护能力。
图1 流体成形与控制原理示意图。a图展示了光学透镜的流体成形与控制装置，包含模具和容器。该容器为密闭式储罐，流体成形模具固定于容器中心，内部形成环形环面并浸入密度匹配液中。该匹配液的密度与光学聚合物液完全一致。光学聚合物液与模具共同将容器分隔为上下两个密封腔室。b图说明通过向上下密封腔室施加不同附加压力，可调节上下密度匹配液在成形液中的压力差，从而实现对成形液形状的精准控制。
图2 50℃恒温加热高分子材料温度、固化度、体积、表面曲率、平均密度随时间的变化：a为高分子材料的平均温度、固化度、体积随时间的变化过程，b为高分子材料表面曲率随时间的变化，c为高分子材料平均密度随时间的变化
图3 光学高分子液体固化过程中的压强差。实验得到压强差上升较慢，最终恒定值近似。
图4 不同尺寸的透镜样品
