中国科学院力学研究所微重力重点实验室的研究团队，在光学透镜的流体成形与控制领域取得了重要进展，为大口径光学透镜的快速制造，乃至空间在轨制造打开了全新的思路。
透镜是光学系统最基础的功能单元，早已广泛应用在成像、照明、光伏、视觉矫正等诸多领域，更是空间光学系统中不可或缺的核心部件。
传统的光学透镜制造，往往需要经过复杂的磨削、抛光等工序，不仅耗时久，对于大口径透镜的制造成本更是居高不下。而流体成形技术则另辟蹊径：它利用高分子液体表面天然的分子级平滑性，不需要任何后处理抛光，就能直接得到超光滑的光学表面，对于大口径光学透镜的快速制造有着颠覆性的意义。
但这项技术的落地，一直面临着不少难题：重力会干扰液体的面形，而聚合物固化过程中的体积收缩，更是会让原本精准的面形发生偏移，如何实现对透镜面形的精准控制，成为了领域内的核心挑战。
为了解决这些问题，力学所的研究团队搭建了一套完整的实验系统，通过多设备的协同配合，实现了从环境模拟到固化控制的全流程精准调控。
研究团队首先搭建了特殊的流体成形实验平台：他们采用密闭式压力储罐作为实验的核心容器，将定制的流体成形模具固定在容器的中心位置。
随后，研究人员将光学聚合物液体注入到模具内部，这种液体与模具共同将容器的内腔分隔为上下两个完全独立的密封腔室。接下来，团队向容器内注入了与光学聚合物液体密度完全一致的密度匹配液，让整个模具完全浸没在匹配液当中。
通过这种方式，匹配液的浮力完美抵消了光学聚合物液体的重力，在地面实验室中就模拟出了微重力环境，彻底消除了重力对液体面形的干扰，为后续的精准控制打下了基础。
在传统的流体成形技术中，透镜的面形往往只能通过液体的体积来有限调节，可选择的面形非常有限。而这次研究中，团队创新性地引入了压力差控制面形的全新概念。
流体成形与控制原理示意图（来源：中国科学院力学研究所）
他们通过高精度气压调节系统，可以分别独立地向上下两个密封腔室施加不同的附加压力，同时借助高精度压力传感器实时监测两个腔室的压强差。通过精准调节这个压差，研究人员就可以灵活地改变光学聚合物液体的表面曲率，从而制备出球面、非球面等多种不同面形的透镜，彻底突破了传统技术面形单一的限制。
解决了初始的面形调控后，团队又把目光投向了固化过程的挑战：光学高分子材料在固化的过程中，体积和密度会随着固化度、温度的变化而发生改变，这会破坏原本的密度匹配状态，导致已经调好的面形发生偏移。
为了攻克这个问题，团队首先通过恒温加热固化装置，将整个固化过程的环境温度稳定控制在 50℃，消除了温度波动对材料参数的干扰。同时，通过高精度温度传感器，实时采集材料的温度、固化度数据，精准掌握材料的状态变化。
在此基础上，研究团队建立了包含固化体积变化、热膨胀及固化收缩的完整控制方程，推导出了透镜成形过程中曲率变化的精确规律。在整个固化过程中，系统会根据材料状态的实时变化，动态调整上下腔的压强差，实时补偿材料收缩带来的面形偏移，最终完美解决了聚合物光学材料成形过程中的变密度匹配控制问题。
在完成整个固化流程，得到透镜样品后，研究团队使用共聚焦激光扫描显微镜对透镜的表面轮廓进行了高精度的表征。结果证明，这项技术可以制备出面形精度极高的光学透镜，而且通过压差调控，能够实现丰富多样的面形设计，完全满足光学系统的使用要求。
这项研究的意义远不止于地面的透镜制造。研究证明，在微重力环境下，基于流体成形技术可以高效制备面形多样的高精度透镜，这为空间光学系统的在轨制造提供了全新的技术路径。
过去，大口径空间望远镜的透镜，受限于火箭的运载能力，很难把超大尺寸的地面制造的透镜送上太空。而有了这项技术，未来航天器就可以在轨道上直接制造大口径的光学透镜，彻底打破运载能力的限制。同时，这项技术也能大幅提升空间光学系统的在轨运行与维护能力，为未来的空间观测、深空探测等任务带来了全新的设计自由度。
目前，相关研究成果以 “Fluidic Shaping and Pressure-based Precision Control of Optical Lenses” 为题，发表在国际期刊《Microgravity Science and Technology》上。
