抛光加工参数对KDP晶体材料去除和表面质量的影响

针对软脆易潮解KDP功能晶体材料的加工难点,提出了一种基于潮解原理的无磨料化学机械抛光新方法,研制了一种非水基无磨料抛光液,该抛光液结构为油包水型微乳液.通过控制抛光液中的含水量可以方便地控制KDP晶体静态蚀刻率和抛光过程中材料的去除率.实验中还研究了不同加工参数对晶体材料去除率和已加工表面质量的影响.该抛光液的设计为易潮解晶体的超精密抛光加工提供了一条新的技术途径.     

基于离子束抛光的KDP晶体表面嵌入铁粉清洗研究

磁流变抛光技术是实现KDP晶体超精密加工的新方法,但磁流变液中的铁粉容易嵌入质软的KDP晶体表面.本文提出了利用基于低能离子溅射原理的离子束抛光技术去除KDP表面嵌入的铁粉.利用红外拉曼光谱和白光干涉仪分别分析了低能离子束抛光前后KDP晶体表面物质结构变化和表面粗糙度的变化;结果显示,低能离子束溅射不改变KDP晶体表面的组成结构,并改善了KDP晶体表面质量,因此离子束抛光可用于KDP晶体的加工;利用飞行时间二次离子质谱分析技术分别对单点金刚石车削、磁流变抛光和低能离子束抛光后的KDP晶体表面进行元素分析,结果显示低能离子束抛光可有效去除磁流变抛光在KDP晶体表面嵌入的铁粉.     

微纳水溶解抛光工艺参数对KDP晶体面粗糙度影响的试验研究

微纳水溶解抛光与计算机控制光学表面成形(CCOS)小工具抛光技术相结合,是针对大尺寸易溶于水的KDP晶体元件的一种有效加工方法.本文针对小工具抛光中行星运动方式及水溶解抛光工艺特点,为揭示各抛光工艺参数对KDP晶体表面粗糙度的影响规律,对晶体进行均匀抛光,并以抛光头转速比和转速、自转和公转方向、抛光载荷、抛光头直径、抛光液含水量为参变量,得到了最优抛光参数:抛光头公转自转反向,转速100r/min;抛光液含水量7.5;(质量分数);使用较大尺寸抛光头(工件尺寸的十分之一至五分之一).     

KDP晶体杂质对生长及出槽应力分布的影响

KDP晶体中的杂质易导致其开裂.本文采用有限元法分析了不同属性、尺寸、形状的晶体杂质对大尺寸KDP晶体生长及出槽应力分布的影响.结果表明,不同属性的杂质对晶体生长应力和出槽应力分布具有不同程度的影响.杂质附近的生长应力与杂质的弹性模量呈正向变化;杂质附近的出槽应力与杂质和晶体的热膨胀系数之差呈正向变化;杂质的尺寸越大,形状越尖锐,杂质附近的生长应力和出槽应力均增大.     

KDP晶体离子束抛光温度场模拟与工艺参数优化

为解决离子束加工热效应这一棘手问题,必须了解离子束加工过程中光学元件的温度场分布,以期优化工艺参数来降低离子束加工过程中光学元件的温度.本文基于ANSYS参数化设计语言(APDL),建立离子束作用下温度场模型,模拟离子束加工KDP晶体过程,并对不同工艺参数条件下工件的温度场进行仿真.分析了工艺参数对KDP晶体温升的影响规律,并通过正交分析方法优化了工艺参数.优化结果表明:从影响工件温度变化程度的角度,离子入射角度θ＞入射离子能量ε＞峰值束流密度J＞扫描行间距系数μ＞束流分布参数σ;从降低工件温升角度,应选取较小的入射离子能量和峰值束流密度以及较大的离子束径、扫描行间距系数和入射角度,减小离子束加工对工件性能的影响,同时加工时间增加不明显.     

EDTA和KCl掺杂对KDP晶体光学质量的影响

通过传统降温法生长了不同EDTA和KCl剂量掺杂的KDP晶体,并观察了晶体的光散射情况,测定了晶体柱区样品的透过率和晶体中Fe、Cr、Cl三种杂质元素的含量,结果表明:低浓度的EDTA(0.01 mol;)和KCl(＜1.5 mol;)掺杂可以提高晶体的透过率,但高浓度掺杂(0.01 mol;EDTA, 2.0 mol; KCl)会导致晶体散射严重,透过率降低,KCl浓度达到2.5 mol;后晶体生长受到抑制,晶体缺陷严重;晶体中铁Fe3+、Cr3+的总含量随着掺杂浓度的增加而减少,晶体中并没有发现Cl元素存在.     

Na+对KDP晶体生长的影响

本文利用传统的降温法和"点籽晶"快速生长法在不同Na+掺杂浓度的溶液中生长KDP晶体,定量研究了Na+对KDP晶体生长的影响.实验发现:Na+的存在降低了溶液的稳定性,致使KDP晶体柱面容易扩展.Na+的存在对KDP晶体的光学性能基本没有影响.     

KDP晶体的研究进展

本文评述近年来了KDP晶体研究的重要进展,特别是不同种类的杂质对KDP晶体生长的影响及内在机理;综述了杂质对KDP晶体光学性能和力学性能的影响。     

硫酸盐对KDP晶体完整性的影响

本文利用高分辨X射线衍射技术,在"点籽晶"陕速生长法基础上,研究了掺杂K2SO4对KDP晶体锥面及柱面扇形结构完整性的影响.结果表明,在5×10-5的掺杂条件下,K2SO4对KDP晶体不同扇形区域的影响略有不同,其原因主要在于[SO42-]与KDP晶体各扇形相互作用不同有关.     

添加剂下KDP晶体的快速生长

本文在测定KDP溶解度曲线及介稳区的基础上,通过添加几种硼酸盐类添加剂,并采用Z切点籽晶实现了KDP晶体的快速生长,[001]和[100]方向的生长速度可达10～15mm/d(5L生长槽).     

离子束作用下KDP晶体表面粗糙度研究

为了避免传统加工过程对KDP( Potassium dihydrogen phosphate)晶体表面产生损伤、嵌入杂质等降低晶体抗激光损伤阈值的不利因素,文章探索采用离子束抛光技术实现KDP晶体的加工.本文主要分析了离子束抛光作用下KDP晶体表面粗糙度的演变过程,采用垂直入射和倾斜45°入射两种方式研究KDP晶体表面粗糙度,利用倾斜45°入射的加工方式提高了KDP晶体的表面质量,其表面均方根粗糙度值由初始的3.07 nm减小到了1.95 nm,实验结果验证了离子束抛光加工KDP晶体的可行性.     

点状籽晶法生长KDP晶体中散射颗粒分布

在不同的溶液pH值条件下进行了点状籽晶法慢速和快速生长KDP晶体实验,发展了观察晶体中散射颗粒分布的激光层析技术,通过图像处理得到了KDP晶体内部(100)面完整的散射颗粒分部图,对不同生长速度、不同pH值条件下点状籽晶法生长的KDP晶体的散射颗粒分部做了对比.利用表面光学投影技术观察了晶体表面宏观形貌,并由此分析了不同生长条件下生长机制对散射颗粒分布的影响.测定了散射颗粒密度不同部位的晶体透过率.     

pH值对KDP晶体位错结构的影响

在一定的过饱和度下,分别用点状和片状籽晶在不同pH值溶液中生长出了KDP晶体.利用化学腐蚀法对KDP晶体的不同晶面进行了腐蚀,得到了清晰的位错蚀坑.应用光学显微镜对位错蚀坑的分布特点和密度做了观察分析,发现很多位错蚀坑成线状排布.pH值对KDP晶体位错密度有较大影响,低pH值条件下生长出的晶体位错密度较大.测试了KDP晶体样本的透过率,结果表明位错密度对KDP晶体的透过率没有明显的影响.     

pH值对KDP晶体溶解度和溶液稳定性的影响

测定了不同pH值(2.0～5.5)生长溶液中KDP晶体(KH2PO4)的溶解度曲线,实验结果表明:随着生长溶液pH值的改变,KDP溶解度明显增大.讨论了KDP晶体溶液pH值、溶液组成和溶液饱和点温度三者之间的关系.进行了高pH值(3.8～5.6)KDP生长溶液的稳定性实验,发现高pH值生长溶液中的临界成核半径rC增大,溶液的稳定性提高.在不同pH值溶液中进行了晶体生长实验,探讨了不同pH值生长溶液中配合物对KDP晶体生长习性的影响.     

退火条件对KDP晶体光学质量的影响研究

本文在不同退火温度和时间下对KDP晶体进行退火实验,并对其光学质量进行了测试和分析.实验表明:合适的退火条件可以增加晶体的透过率、提高光学均匀性、减少散射颗粒,其中160℃为KDP晶体最佳退火温度.在相同的退火温度下,延长退火时间能够更好地提高晶体的光学均匀性和结构完整性.在160℃下退火48h能够使晶体的光损伤阈值提高28;,退火240h能够提高40;以上.     

SPDT加工对KDP晶体表面温度及应力的影响

KDP晶体作为优质的非线性光学材料,具有脆性高、对温度敏感等特性,在单点金刚石切削(SPDT)超精密加工中,微小的温度和应力变化有可能对晶体造成损伤,但是一直未有相关实验报道.本文采用红外热成像仪对SPDT加工过程进行监测,结合Raman光谱技术,研究KDP晶体在SPDT加工前后表面温度和应力的分布变化.大尺寸KDP晶体经过快速微区切削后,在给定的切削工艺条件下,测量出切削部分最高瞬态温度比附近未切削部分高出将近8℃.通过Raman测量,显示切削后晶体表面存在残余拉应力.结合热力耦合模拟仿真,进一步分析了SPDT加工过程动态切削温度对晶体质量的影响,为优化加工参数提供依据.     

KDP晶体缺陷对生长应力分布的影响

本文采用有限元法分析了不同尺寸、形状的晶体缺陷对大口径KDP晶体生长应力分布的影响.结果表明,晶体中的缺陷导致了晶体内部应力集中,且应力集中程度与缺陷尺寸、晶体生长尺寸呈反向变化,而最大主应力与缺陷尺寸、晶体生长尺寸呈正向变化.当缺陷含有棱边或尖角时,应力集中程度和最大主应力值都明显增加.由于KDP晶体易脆性开裂,随着最大主应力值的增大,开裂机率也增大.     

快速生长KDP晶体表面的光学显微实时观察

设计了一套溶液降温法晶体生长显微实时观察装置,对快速生长KDP晶体{101}和{100}表面形貌的演化过程进行了实时观测分析.测量了晶体表面生长层切向生长速度随溶液过饱和度的变化曲线,并利用台阶生长动力学方程计算了相关动力学参数.进行了Fe3+掺杂实验,结果表明Fe3+的存在会影响到不同晶面上生长层的动力学系数,从而改变KDP晶体表面生长层的切向生长速度.