单点金刚石飞切KDP晶体表面缺陷深度的研究

基于印压断裂力学理论分析了磷酸二氢钾晶体表面缺陷面积与中位裂纹深度的关系.在刀具参量和主轴转数一定的情况下,采用不同切削深度和进给速率对磷酸二氢钾晶体进行单点金刚石飞切加工实验,并计算晶体表面单位面积缺陷的占比系数.实验结果表明,晶体表面缺陷深度与面积占比系数成正相关,与理论分析结果相符,进而提出了利用计算晶体表面缺陷占比系数估测缺陷深度的方法.最后基于该方法得到高效率切削步骤,并加工获得了表面粗糙度算术平均值优于5nm的超光滑晶体表面.     

光学工艺 光学加工工艺与设备

TQ171．683 2005053948 KDP晶体塑性域超精密切削加工过程仿真=Simulation of ultra-precision cutting process of KDP crystal in ductile mode[刊,中]／陈明君(哈尔滨工业大学精密工程研究所． 黑龙江,哈尔滨(150001)),王景贺…∥光电工程．-2005, 32(5)．-69-72 提出了压痕实验与有限元仿真结合的方法。它采用 压痕深度与有限元仿真深度进行对比,可求解出KDP晶 体的塑性特性参数。建立了KDP晶体塑性域切削的有限 元模型,仿真研究了切削参数对KDP晶体表面形成过程 的影响。结果表明,在刀具前角为-40°左右时,工件表面 质量可达到最佳值。研究还发现,当刀具刃口半径为80 nm时,其能够产生切屑的最小切削厚度在10～30 nm之 间,此时法向切削力与主切削力之比为0．96,该结论对 KDP晶体超光滑表面的获取有着重要指导意义。图6参 6(严寒)     

KDP晶体单点金刚石切削表面粗糙度预测及实验研究

采用单点金刚石切削的方法加工了KDP晶体,利用回归分析的方法建立了表面粗糙度预测模型,达到了在加工前设计、预测和控制表面粗糙度的目的。利用预测模型分析了进给量、切削速度、背吃刀量对表面粗糙度的影响。通过优化设计获得了KDP晶体在该条件下的最佳切削参数,得到的表面粗糙度的最佳估计值为6.3389nm。利用最佳的切削工艺参数,加工出了表面粗糙度值为6.895nm的超光滑表面。     

KDP光学零件超精密车削加工误差的频谱特性与控制

超精密车削技术适于加工KDP(磷酸二氢钾)等频率转换类型的强光光学零件,但车削表面存在明显的加工纹理,导致抗激光损伤阈值降低。以加工表面误差幅值及其频谱分布为对象,分析了KDP光学零件超精密车削的加工特征和误差形态,采用功率谱密度(PSD)评价方法研究了工艺参数与误差频谱的内在关系,结果表明:不同进给速度及主轴转速将使螺旋形刀痕的间距发生变化,进而影响KDP表面误差的频率成分;切削深度虽然对误差频谱影响很小,但会改变PSD的幅值;当主轴转速高于500 r/min、进给速度小于2 mm/min、切削深度小于2 μm时能够加工出rms值优于20 nm的KDP面形。在此基础上,以典型KDP光学零件加工为例,通过超精密补偿车削方法将低频误差的PSD控制在300 nm2·mm以内,中高频误差的PSD控制到国家点火装置(NIF)标准线以下,满足强光系统的工作要求。     

KDP晶体微纳米加工表层缺陷对其激光损伤阈值的影响

使用有限元方法分析了在激光辐照条件下,KDP晶体已加工表面存在的残余内应力、微裂纹及微孔等多种微纳米加工表层缺陷对晶体激光损伤阈值的影响。通过分析发现:KDP晶体微纳米加工表层缺陷的存在,会影响晶体表面的温度场及热应力场的分布,使入射激光的能量积聚在缺陷附近的很小范围内,造成晶体缺陷处产生局部熔融现象,从而使KDP晶体产生损伤,降低KDP晶体的激光损伤阈值。针对微纳米表层的微裂纹进行了损伤阈值测试实验,结果表明微裂纹的存在会降低KDP晶体的激光损伤阈值(约降低3J/cm2),实验结果与仿真结果符合得很好。     

切削用量对铝靶表面质量的影响

 采用单点金刚石切削技术，完成了对ICF实验用铝靶的切削加工，重点研究了切削用量对加工表面质量的影响。实验结果表明：采用较小的进给速度，较大的主轴转速能够获得较低的表面粗糙度，切削深度对表面质量影响较小。通过Form Talysurf 表面轮廓仪测量，结果表明表面粗糙度小于50 nm。     

切削用量对铝靶表面质量的影响

采用单点金刚石切削技术，完成了对ICF实验用铝靶的切削加工，重点研究了切削用量对加工表面质量的影响。实验结果表明:采用较小的进给速度，较大的主轴转速能够获得较低的表面粗糙度，切削深度对表面质量影响较小。通过Form Talysurf 表面轮廓仪测量，结果表明表面粗糙度小于50 nm。     

KDP晶体金刚石车削参数对晶体雾化的影响

安装在高功率激光系统中的KDP晶体,其表面质量是一个很重要的问题。单点金刚石车削是唯一获得透射波前误差和激光损伤阈值的方法,尤其是在紫外UV波段。KDP晶体表面雾化与金刚石车削参数有关。研究金刚石车削参数主要是为了提高KDP晶体的频率转化效率。研究结果表明,在金刚石切削中使用一种纯净的切削油和适宜的加工参数能大大地减少晶体表面的雾化。     

第一性原理研究Fe及其团簇缺陷对KDP和ADP晶体激光损伤的影响

由于金属杂质离子对晶体损伤性质有不容忽视的影响，受实验条件限制，Fe及其团簇缺陷对晶体的影响机制尚不明确。采用第一性原理的方法，对磷酸二氢钾(KDP)和磷酸二氢铵(ADP)晶体中的Fe及其团簇缺陷进行模拟研究，确定其对晶体结构及光学性质方面的影响。研究发现，Fe进入KDP和ADP晶体中主要以取代P原子形成FeO₄基团最稳定，且其稳定形式以Fe³⁺为主。磁性状态研究发现磁性条件对晶体的结构和能量影响不大，Fe对晶体的损伤主要通过引起200～300 nm范围明显的光学吸收影响损伤阈值。Fe进入晶体中形成团簇缺陷可通过电荷补偿与O空位(VO)复合，几乎不会与OH空位(VOH)复合，团簇缺陷以Fe对晶体结构和性质的影响为主。     

小尺度波纹对KDP光学元件透射比的影响

高精度KDP晶体是惯性约束核聚变光路系统中的重要元件,而已加工表面的小尺度波纹对光学元件的透射比有着重要影响。采用傅里叶模方法理论分析了表面小尺度波纹的幅值及周期对KDP光学元件透射比的影响。研究结果表明,当小尺度波纹幅值小于100 nm时,透射比随波纹幅值的增加基本呈线性增长,波纹幅值每提高10 nm.透射比可提高近0.5%;透射比随着小尺度波纹周期的增加围绕中心透射比上下浮动,透射比振幅基本保持不变.且中心透射比及透射比振幅均随着小尺度波纹幅值的增加而增大;小尺度波纹周期在10.5～12μm区间内时透射比明显很低,需采取措施避免小尺度波纹的周期出现在此区间。对KDP晶体进行了加工、表面形貌检测及透射比检测的实验,实验结果与理论计算结果基本吻合。     

KDP晶体前表面修复轮廓的光强调制能力影响

在高功率激光系统中,精密微机械修复是减缓磷酸二氢钾(KDP)晶体表面缺陷增长的有效方法,使用精密微铣削机床可以加工出球面型与高斯型修复轮廓。为得到最优的修复结构参数,建立了晶体前表面球面型与高斯型修复轮廓的电磁场有限元模型,通过改变轮廓的宽度、深度等参数,对两种修复轮廓的光强调制能力进行对比研究。仿真结果表明光强调制能力主要是由修复轮廓的衍射效应及入射光在修复界面处的二次入射所引起的干涉作用共同决定;针对初始损伤点,建议采用宽深比大于5的修复轮廓,从而有效提高KDP晶体表面缺陷点的激光损伤阈值,对于宽深比大于10的修复轮廓建议选用高斯型;对宽1000μm,深20μm的两种修复表面的激光损伤实验表明,高斯型修复轮廓具有较高的抗损伤能力,实验与仿真结果相一致。     

加工误差引入的薄型KDP晶体附加面形

针对惯性约束聚变（ICF）驱动装置中口径为400 mm400 mm薄型频率转换KDP晶体在45放置状态下产生的附加面形问题,采用有限元分析软件ANSYS,建立了以实测数据为基础的大口径薄型KDP晶体的应变模型和有加工误差的夹具模型,仿真分析了KDP晶体的加工误差和夹具的加工误差对KDP晶体附加面形的影响, 给出了KDP晶体附加面形变化的P-V值和RMS值。在此基础上,通过对KDP晶体的加工误差及夹具支撑表面不同类型和不同大小加工误差的分析和比较,得出:KDP晶体边缘的加工误差和夹具支撑表面的凹型加工误差是引起较大附加面形的原因之一,KDP晶体的加工误差也会导致其面形变化不均匀,而夹具支撑表面的凸型、波浪形加工误差和压条表面的随机加工误差对KDP晶体附加面形的影响相对较小,且支撑表面的随机加工误差引起的附加面形变化介于其他两者之间。     

KDP晶体单点金刚石车削表面形貌分形分析

 分别使用2维和3维分形方法对单点金刚石车削加工的KDP晶体表面形貌进行了分析，并对表面的3维分形维数和3维粗糙度表征参数进行了比较，分析了二者对表面形貌表征的差异。使用2维轮廓分形方法计算了KDP晶体表面圆周各方向上的分形维数。通过分析得出：3维分形维数与表面粗糙度值成反比关系；使用单点金刚石车削方法加工KDP晶体会形成各向异性特征明显的已加工表面，在一定程度上容易形成小尺度波纹；已加工表面是否具有明显的小尺度波纹特征与表面粗糙度值并无直接关系，但与其表面轮廓分形状态分布密切相关；KDP晶体表面2维功率谱密度与其分形状态具有相近的方向性特征。     

氘化对KH2PO4晶体微观缺陷影响的正电子湮没研究

采用传统降温法从不同程度氘化(x=0, 0.51, 0.85)的生长溶液中生长氘化KH₂PO₄(KDP) 晶体, 利用正电子湮没技术(正电子寿命谱和多普勒展宽谱)、结合X射线衍射谱(XRD) 结构分析, 对KDP晶体氘化生长的微观缺陷进行了研究, 讨论了氘化程度对晶体内部微观结构特性、缺陷类型和浓度的影响. XRD结果显示晶胞参数a, b值随氘含量的增加而增加, c值无明显变化; 正电子寿命谱结果发现随着氘化浓度的提高, KDP晶体内部中性填隙缺陷以及氧缺陷不断增加, 引起晶体晶格畸变; 氢空位、K空位、杂质替位缺陷不断发生缔合反应形成复合缺陷, 缺陷浓度不断减少; 团簇、微空洞等大尺寸缺陷也在不断发生聚合反应, 缺陷浓度表现为不断减少. 多普勒实验结果表明随着氘化程度的提升, 晶体内部各类缺陷表现为同步变化. 实验结果表明, KDP晶体在低浓度氘化生长(50%以内)下缺陷反应较弱, 而在高浓度氘化(50%以上)下的缺陷反应显著增强.     

切削参数对KDP晶体加工表面实际频率特征的影响

针对采用单点金刚石超精加工的KDP晶体光学表面,研究了切削参数对微观形貌频率特征的影响。通过功率谱密度获得表面轮廓频率分布,并用连续小波重构加工过程中随切削用量变化的微观轮廓频率特征。结果表明:切削参数对微观形貌的影响具体表现在实际频率特征上,中频特征波长及幅值反映了切深及转速变化,随切深及转速增加,幅值变大;低频特征反映了进给量变化,随着进给量变小,频率及幅值变小;高频特征是加工过程中振动及材料各向异性的具体表现。     

用金刚石车削技术制备EOS实验用铝薄膜和铜薄膜

 具有材料理论密度的金属薄膜对于材料高压状态方程(EOS)研究而言具有重要的意义。本文提出采用金刚石车削技术，利用超精密金刚石车床、金刚石圆弧刀具及真空吸附夹持技术，对纯铝和无氧铜进行端面车削，完成了EOS实验用铝薄膜和铜薄膜的车削加工，实现了薄膜密度接近材料理论密度。精加工工艺参数为：进给量0.001 mm/r，主轴转速3000 r/min，切削深度1 μm。采用Form Talysurf series 2型触针式轮廓仪进行测量，结果表明：铝薄膜、铜薄膜厚度可以达到小于10 μm水平，表面均方根粗糙度小于5 nm，原始最大轮廓峰-谷高度小于50 nm，厚度一致性好于99%。     

KDP晶体杠杆式夹持方案分析

在惯性约束聚变(ICF)终端光学组件(FOA)的精密装校过程中,超大超薄KDP晶体面形在重力作用下会发生畸变,从而导致晶体内部晶轴发生改变,进而由于波前相位失配而极大地降低高功率激光的频率转换效率。针对大口径薄型Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体在非垂直放置状态下出现的附加面形问题,利用有限元分析软件,建立了具有不同初始面形的KDP晶体及其"杠杆式"夹持系统的模型,对晶体经夹持系统夹持后的附加面形分布进行了仿真计算,并讨论了支撑条上表面的加工误差类型及大小、晶体初始面形对KDP晶体附加面形的影响。研究结果表明:"杠杆式"夹持系统能有效改善大口径薄型KDP晶体因重力作用而引起的附加面形变化;晶体边缘部分的加工误差对KDP晶体附加面形有较大影响。     

KDP晶体全口径最佳入射角优化方法

根据正交偏振干涉测量法(OPI)获得的KDP晶体折射率的空间分布数据求解KDP晶体内部失谐角分布,进而建立了倍频及和频KDP晶体全口径最佳入射角的优化模型和方法。分析讨论了不同折射率畸变程度和不同功率密度入射情况下倍频及和频晶体入射角的变化规律。在此基础上,对KDP晶体的全口径最佳入射角进行了优化。结果表明:当KDP晶体折射率畸变程度较大时,倍频晶体对折射率变化较为敏感,而和频晶体对折射率变化则相对不敏感。在实际工作中,首先在假设倍频晶体折射率分布均匀的前提下,对和频晶体的最佳入射角进行优化,而后通过适当调整倍频晶体及和频晶体的入射角,最终确定倍频晶体及和频晶体的全口径最佳入射角。     

状态方程实验用铜多台阶靶制备工艺

 采用单点金刚石切削技术,通过合理的刀具设计、夹具设计及工艺过程设计,确定了加工工艺参数,完成了厚度几μm至几十μm的无氧铜多台阶靶的制备。通过触针式轮廓仪,台阶仪,白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量。结果表明：通过单点金刚石切削技术加工成形的铜多台阶靶,各台阶表面均方根粗糙度小于50 nm,工件表面轮廓平直,台阶垂直度较好。采用阿基米德原理对材料密度进行测量,加工成形后密度为(8.945±0.074) g/cm3,接近材料理论密度。     

高峰值功率KDP晶体四倍频266nm紫外激光器

报道了一种灯泵浦结构的Nd:YAG晶体电光调Q高峰值功率266nm紫外激光器。结合磷酸二氢钾(KDP)晶体性质,基于倍频理论,分析了考虑走离效应情况下存在相位失配量时KDP晶体长度对转换效率的影响。该激光器采用紧凑的平平腔结构,灯泵浦Nd:YAG晶体电光调Q 1064nm激光作为基频光,腔外采用Ⅱ类匹配磷酸钛氧钾(KTP)和Ⅰ类匹配KDP分别作为二倍频和四倍频晶体。利用能量计、示波器等仪器进行测量,激光器重复频率1Hz时,获得脉宽6.0ns,单脉冲能量35mJ的266nm紫外激光输出,峰值功率高达5.83 MW;当重复频率10Hz时,获得单脉冲能量28.9mJ的266nm紫外激光。532~266nm转换效率最高可达31.9%。利用该高峰值功率、窄脉宽266nm紫外激光器,能够实现激光打标、激光雕刻。