KDP晶體離子束拋光理論與工藝研究.pdf

1、磷酸二氫鉀（KDP）晶體是一種優(yōu)質(zhì)非線性光學(xué)晶體，是當(dāng)前唯一可用作慣性約束核聚變裝置（ICF）、強(qiáng)激光武器等光路系統(tǒng)中的激光倍頻和光電開關(guān)的光學(xué)材料。KDP晶體具有各向異性、質(zhì)地軟、脆性大、易潮解、較高的熱膨脹系數(shù)等不利于加工的材料特性，被公認(rèn)為最難加工的材料之一。目前，國內(nèi)外廣泛采用單點(diǎn)金剛石切削或飛刀切削技術(shù)對KDP晶體進(jìn)行超精密加工，然而，該工藝容易在加工表面產(chǎn)生明顯的刀紋，制約了加工表面質(zhì)量的進(jìn)一步提升，特別是切削表面存在小尺度

2、波紋，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)輸出的光束質(zhì)量。基于潮解原理的磁流變拋光技術(shù)可有效去除切削刀紋和小尺度波紋，并以可變可控的速度掃掠切削表面提升面形精度，進(jìn)而形成了單點(diǎn)金剛石切削和磁流變拋光相結(jié)合的KDP晶體超精密加工新工藝、新路線。但是，磁流變拋光液中的鐵粉等雜質(zhì)極容易嵌入質(zhì)軟的KDP晶體表面，降低KDP晶體的光學(xué)性能。為此，去除磁流變拋光嵌入KDP晶體表面的鐵粉時(shí)超精密加工所面臨的一個(gè)十分迫切的任務(wù)。本文提出利用低能離子束拋光技術(shù)清除KDP晶體表

3、面嵌入的鐵粉等雜質(zhì)，完善了KDP晶體超精密加工工藝路線。針對低能離子束拋光KDP晶體所面臨的新問題、新挑戰(zhàn)，論文對以下幾個(gè)方面做了具體研究：
　　(1) KDIBF650-5V超精密光學(xué)元件離子束拋光系統(tǒng)研制。對離子束拋光系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；采用可任意位置放置的非燈絲型中和器并放置在遠(yuǎn)離光學(xué)元件的位置，減小中和器對熱敏感KDP晶體材料的影響；設(shè)計(jì)雙室真空系統(tǒng)配以工件輸送裝置，在不破壞工作真空室真空度的情況下實(shí)現(xiàn)工件的更換，減小了離子束加

4、工輔助時(shí)間并延緩離子源氧化；實(shí)驗(yàn)研究離子束拋光系統(tǒng)的去除函數(shù)形狀、穩(wěn)定性：具有優(yōu)異的回轉(zhuǎn)對稱高斯形狀和較長時(shí)間的穩(wěn)定性；通過樣件加工實(shí)驗(yàn)證實(shí)離子束拋光系統(tǒng)的加工性能。該系統(tǒng)的研制為實(shí)現(xiàn)KDP晶體離子束拋光奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)低能離子束拋光溫度場和應(yīng)力場研究。針對KDP晶體熱膨脹系數(shù)高，脆性大，在離子束加工過程中非均勻受熱，易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，建立離子束加工過程中溫度場和應(yīng)力場評價(jià)方法：利用SRIM模擬低能離子與光學(xué)元件表面的相互作

5、用過程，計(jì)算得到單離子在光學(xué)元件表面沉積的能量，并通過離子源光學(xué)系統(tǒng)理論分析光學(xué)元件表面的束流分布，進(jìn)而建立離子束施加在光學(xué)元件表面的熱源模型；根據(jù)傅里葉定律，建立各向異性KDP晶體的導(dǎo)熱微分方程，并在此基礎(chǔ)上建立離子束作用下KDP晶體的溫度場模型；利用ANSYS對溫度場進(jìn)行仿真并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的正確性。以溫度場為基礎(chǔ)，建立離子束加工過程中KDP晶體的應(yīng)力場模型并通過ANSYS進(jìn)行仿真模擬。
　　(3)基于溫度場和應(yīng)力場

6、的離子束加工工藝優(yōu)化。為減小離子束加工對KDP晶體的不利影響，避免離子束加工對KDP晶體的破壞，提出具體的、切實(shí)可行的實(shí)施方法：首先，研究工藝參數(shù)對溫度場和應(yīng)力場的影響規(guī)律，優(yōu)化離子束加工工藝參數(shù)；其次，提出跨行距大間隔移動路徑，對離子束的移動路徑進(jìn)行優(yōu)化；最后，針對離子束修形宜采用小束徑的特點(diǎn)，提出低通濾波加工新方法，并根據(jù)離子束的修形能力選擇截止頻率。
　　(4) KDP晶體離子束拋光表面質(zhì)量研究。首先，分析離子束拋光前后KD

7、P晶體表面物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的變化情況，離子束拋光不改變晶體結(jié)構(gòu)；其次，研究離子束拋光工藝參數(shù)對KDP晶體表面粗糙度的影響規(guī)律，并以此為依據(jù)選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)實(shí)現(xiàn)KDP晶體超光滑表面；再次，研究不同晶面以及不同晶向?qū)﹄x子束拋光后表面粗糙度的影響；最后，對超精密切削、磁流變拋光和離子束拋光后KDP晶體表面元素含量在深度上的分布進(jìn)行分析，通過對比說明低能離子束拋光有效地清除了磁流變拋光嵌入KDP晶體表面的鐵粉。
　　(5) KDP晶體離子束

8、拋光工藝研究與加工實(shí)例。根據(jù)離子束拋光典型工藝路線，提出KDP晶體離子束拋光新工藝路線：以離子束加工熱效應(yīng)控制為目標(biāo)，融入離子束工藝參數(shù)選擇、離子束移動路徑優(yōu)化和濾波加工等工藝。而后，結(jié)合本文研究的理論和工藝在 KDIBF650-5V上對KDP晶體進(jìn)行修形實(shí)驗(yàn)，得到滿足面形精度要求的KDP晶體光學(xué)元件；最后，對超精密切削、磁流變拋光和離子束拋光技術(shù)三種工藝方法下的KDP晶體進(jìn)行激光誘導(dǎo)損傷閾值實(shí)驗(yàn)測量，通過對比發(fā)現(xiàn)：離子束拋光技術(shù)顯著提