KDP晶体各向异性对划痕特性影响的实验研究

对KDP晶体二倍频晶面样品进行金刚石球形压头纳米划痕实验,划痕方向为0°、45°和90°,划痕长度为420μm,恒斜率载荷变化范围为0～150 mN,并利用扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察.通过对划痕深度-距离曲线及划痕形貌进行分析,获取各划痕方向脆塑去除比例和脆塑转换位置.实验结果表明:0°、45°和90°方向脆塑转变位置分别为209.0μm、158.5 μm和112.6 μm,从而可知沿0°方向划痕的样品脆塑转变最晚,临界载荷最大,划痕脆性去除最少,是样品的最优加工方向.磨削加工验证实验结果显示,0°方向平均切削力及加工后表面粗糙度均最小,进一步证实其为KDP晶体二倍频表面最优加工方向.     

KDP晶体(001)晶面纳米压痕的仿真研究

在KDP晶体(001)晶面上进行了四种压头(即:维氏压头、玻氏压头、圆锥压头、球形压头)的纳米压痕仿真研究.仿真结果表明:完全加载时四种压头与KDP晶体接触位置存在不同程度应力集中.当载荷在0～8 mN范围内时,其与等效应力影响深度呈近似线性递增关系.完全卸载时,残余应力分布深度为1.3～1.5 μm.相同载荷条件下,各压头对应的塑性损伤层深度之间关系与等效应力影响深度之间关系一致.此外,通过纳米压痕实验验证了KDP晶体材料模型及相关参数的正确性.     

KDP晶体脆塑转变切削过程有限元仿真与实验研究

利用ABAQUS软件建立KDP晶体超精密切削三维模型,并基于内聚力模型来模拟KDP晶体脆性域切削过程中裂纹的成核与扩展,对KDP晶体脆塑转变过程做出合理解释,得到其临界切削厚度.结果表明,超精密切削过程中KDP晶体材料的去除分为弹性变形、塑性去除和脆性断裂三个阶段,其脆塑转变临界切削厚度为140 nm左右.最后利用超精密机床对KDP晶体进行切削实验,实验观测得到的临界切削厚度与仿真结果值的相对误差不超过10;,验证了仿真方法的有效性及仿真模型的准确性.     

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.     

三维运动下KDP晶体生长过程中的应力分析

作为一种新型溶液晶体生长方式,“三维运动生长法”能够快速生长高质量大尺寸的KDP晶体.为了了解KDP晶体在三维运动生长过程中晶体内部的应力状态,本文采用有限元法对三维运动下KDP晶体生长过程中的应力分布进行了计算.结果表明,掣晶杆顶端附近以及晶面和掣晶杆交接处存在明显的应力集中,主应力较大,是晶体生长过程中的易开裂点.增加掣晶杆直径,使用圆头掣晶杆和降低三维运动过程中的加速度能够降低晶体内部的最大主应力,减小晶体在生长过程中开裂的机率.     

KDP晶体激光损伤机理研究

大口径KDP晶体是唯一可用作激光约束核聚变(ICF)中Pockels盒和倍频器件的晶体材料,但是低的抗激光损伤阈值使其应用受到了限制.本文从电子-空穴对的产生及稳定机制、光伤实体的本质等方面总结了多年来人们对KDP晶体激光损伤机理的研究进展,尤其从多光子电离、碰撞电离、激光加热三个方面定性阐述了电子-空穴对的产生机制, 而电子-空位对的稳定机制是探讨光损伤的关键步骤.另外从晶体生长过程及后处理两个方面初步讨论了提高光伤阈值和光学均匀性的途径.     

快速生长KDP晶体的光学性质研究

本文研究了快速生长的KDP晶体光学性质,结果表明快速生长的KDP晶体的光学性质低于传统降温法生长的晶体,原料中阴离子杂质的存在是造成这一结果的主要原因,确保快速生长晶体质量的首要条件是提高原料的纯度.     

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.     

KDP晶体中散射颗粒形成机理的研究

本文在不同掺杂条件下,采用传统降温法生长了KDP晶体,利用超显微和透射电镜对KDP晶体中的散射颗粒进行了观察,在此基础上对其进行了分类.实验结果表明,不同种类散射颗粒的形成源于溶液中杂质与晶体化学键作用力的不同,造成这一结果的根本原因与KDP晶体的结构特性密切相关.     

KDP晶体锯切应力场与初始内应力场的耦合分析

本文采用有限元法建立了KDP晶体线锯切割的仿真模型,仿真分析了切割过程中晶体内部应力场分布的变化规律.结果表明,线锯切割加工过程应力变化整体平稳,属低应力锯切方式,当晶体即将切断时,最大拉应力显著增加;随着被加工材料的去除,晶体初始内应力释放,晶体内部距离待加工表面越近的点,切割过程中应力变化越剧烈;锯切切口处,锯切应力与内应力相互耦合,应力集聚,并且晶体初始内应力越大,应力集聚越明显,晶体切割开裂几率越大.仿真结果为保证KDP晶体线锯切割加工过程中避免开裂提供了理论基础.     

大尺寸KDP晶体切削开裂效应数值模拟分析研究

大尺寸KDP(KH2PO4)晶体在切割过程中容易出现开裂现象,为了研究大尺寸KDP晶体切割过程中开裂机制并提出合理切割方案,本文对大尺寸KDP晶体切削效应进行了研究.大尺寸KDP晶体切削过程中刀片与晶体之间的接触应力和切割引起的热应力是晶体切削过程中主要致裂因素,因此本文采用有限元计算方法对KDP晶体切削过程进行热力耦合数值仿真模拟.结果表明切割过程中KDP晶体与刀片之间的压力应小于4.1 MPa,切口处温差应控制在4.2℃之内,同时本文还得到了切削过程可控参数(车床推进力和刀片的线速度)的安全取值范围,该范围的提出对KDP晶体的切割技术具有十分重要的意义.     

过饱和度对KDP晶体生长与光学性能的影响研究

在不同过饱和度的溶液中生长了KDP晶体,对生长晶体的透过率,光散射和激光损伤阈值进行了表征.研究了不同过饱和度对KDP晶体生长及光学性能的影响.实验表明:KDP晶体可以在高过饱和度(σ＞3;)溶液中实现快速生长,生长速度可大于10 mm/d;但随着溶液过饱和度的增加,KDP晶体生长溶液的稳定性降低,晶体容易出现包藏、开裂和添晶等缺陷,晶体的光学性能也随之降低.     

EACVD摆动衬底空间流场有限元模拟研究

根据EACVD系统的实际几何特点和工艺参数建立了该系统的三维流场有限元模型,研究了衬底温度及摆动周期、热丝参数、进气口参数对衬底表面流场均匀性的影响.结果表明:衬底低速摆动情况下摆动周期的变化对衬底表面流场的分布没有影响,衬底温度,热丝参数,进气口参数对衬底表面流场都有一定的影响,其中,热丝的排列方式以及进气口气体流量对衬底表面流场的影响最大.最后,采用一组优化的沉积参数进行金刚石膜衬底表面流场的仿真计算,结果表明:采用优化的沉积参数可以使衬底表面气体流速和流场的均匀性都得到很大提高,此研究结果为制备高质量金刚石膜提供理论依据.     

不同晶面单晶铝纳米压痕测试及有限元模拟

采用纳米压入法对单晶铝(100)、(110)、(111)晶面进行力学性能分析,结合实验得到荷载-位移曲线,利用连续刚度技术获得单晶铝的弹性模量和硬度.结果表明:单晶铝具有良好的塑性性能,不同晶面的塑性能力从大到小依次为(110)晶面、(111)晶面、(100)晶面.材料弹性模量和硬度变化趋势一致,不同晶面弹性模量和硬度的大小关系为:(110)晶面＞(111)晶面＞(100)晶面.由于晶体变形时发生位错形核与发射,导致荷载-位移曲线在压入初期表现出位移爆发现象.同时运用ABAQUS有限元软件,使用单晶各向异性本构模型定义材料属性,对不同晶面的单晶铝进行仿真模拟,通过反复对比实验与模拟所得的荷载-位移曲线得到不同晶面各向异性的相关材料参数,并分析得出了最大压深时的正应力、剪应力及残余压痕分布的对称性.     

KDP晶体快速生长溶液的稳定性研究

本文研究了搅拌,过滤,过热和添加剂对KDP晶体快速生长溶液的稳定性的影响并分析了其影响机理.结果表明,利用0.2μm的滤膜对溶液过滤,在饱和点以上20℃时对溶液过热20h,或在溶液中添加某些特定的添加剂均可有效提高KDP晶体快速生长溶液的稳定性.通过对生长溶液进行综合的前处理,利用“点籽晶”快速生长技术实现了KDP晶体的快速生长,生长速度达20 mm/d,生长尺寸达5 cm量级.     

不同波长条件KDP晶体的非线性光学性质研究

采用Z扫描方法系统的研究了KDP晶体在不同激光波长条件下的非线性光学性质.当λ=355 nm,功率密度为57.92 GW/cm2和λ=532 nm,功率密度为105.94 GW/cm2时,KDP晶体均呈现强烈的反饱和吸收和自聚焦效应,其非线性吸收系数和非线性折射率分别为6.50×10 -2cm/GW,1.17×10 -2cm/GW和8.02×10 -7cm2/GW,6. 14×10 -7cm2/GW;而在1064 nm波长,功率密度为347.95 GW/cm2时KDP晶体并未表现出明显的非线性性质.结果表明,在短波长的激光作用下,KDP晶体更容易产生非线性效应,双光子吸收是KDP晶体非线性吸收的主要机制.     

KDP晶体金刚石线锯切割表面缺陷分析

采用树脂金刚石线锯对KDP晶体进行了锯切实验,使用扫描电子显微镜对KDP晶体锯切的表面缺陷进行了分析,分析了走丝速度和工件进给速度对KDP晶体表面缺陷特征的影响.分析发现线锯锯切的晶片表面缺陷主要有呈锯齿状形态的沟槽、表面破碎、划痕、橘皮状的外观、凹坑、以及锯切表面嵌入脱落磨粒和切屑.走丝速度增大,工件进给速度降低,锯切材料的表面缺陷逐渐由以脆性破碎凹坑为主转变为以材料微切削去除留下的沟痕为主.锯丝表面脱落的金刚石磨粒在锯切过程中在锯丝压力作用下挤压嵌入或冲击加工表面造成凹坑,对材料表面和亚表面质量的损害严重.其分析结果为获得高质量的锯切表面,进一步优化工艺参数提供了实验参考依据.     

Fe3+对KDP晶体光学质量的影响

金属离子Fe3+对KDP晶体的生长和光学性质有明显影响.本文在前期研究的基础上[1]系统考察了该杂质离子对KDP晶体光学质量的影响.实验结果表明,三价金属离子Fe3+会降低KDP晶体的透光率,同时对晶体均匀性和光损伤阈值也有明显影响.光损伤阈值降低的主要原因在于杂质诱发缺陷导致的电子崩电离、多光子电离(尤其是双光子电离)等过程的发生.