KDP晶体微塑性域增强金刚石切削方法研究

针对KDP在SPDT切削过程中容易产生凹坑、划痕、裂纹等表面缺陷问题,提出利用热激励的方式增大KDP晶体塑性切削域深度,降低各向异性、机床运动误差、环境振动等因素对加工过程的影响,进而提高SPDT切削加工过程稳定性的方法。通过纳米压痕试验获得了KDP晶体表面在不同温度状态下的硬度和脆塑性转变深度变化规律,并在SPDT机床上采用金刚石刀具开展了KDP晶体飞切划痕实验,进一步验证了适当提高KDP晶体温度可以增大KDP晶体脆塑性转变临界切削深度。在此基础上,对KDP晶体开展了不同温度状态下的切削实验,实验结果表明在相同工艺参数下,随着温度的升高,表面粗糙度Sa值从3.2nm降低至1.6nm。

KDP晶体潮解抛光表面质量的模拟分析

通过运动学分析,得到了KDP晶体表面上一点相对于抛光垫的运动方程。分别绘制了载样盘转数、载样盘圆心与抛光垫圆心之间的水平距离、载样盘圆心与其摆动圆心之间的水平距离、摆动周期取不同值时KDP晶体表面上一点相对于抛光垫的运动轨迹仿真图形,得到了这些参数对KDP晶体抛光表面质量的影响规律,并据此确定了这些参数的优化方向。

支撑材料对KDP晶体装配附加面形畸变的影响

高功率固体激光装置中的大口径KDP晶体作为频率转换单元的关键核心组件之一,其作用是将波长为1053 nm的高能红外激光转化为波长为351 nm的紫外激光。为了实现410 mm×410 mm的KDP晶体装配附加面形畸变得到有效控制,该文基于工程上采用的四点支撑工艺结构,建立带有制造误差的四点支撑结构对KDP晶体装配附加面形畸变仿真分析模型,分析研究硅橡胶、聚四氟乙烯、铝合金、铜合金、结构钢等五种典型洁净支撑材料在30μm、50μm制造误差时对KDP晶体的装配面形畸变的影响规律。获得5种支撑材料对KDP晶体装配附加面形畸变分布与PV值的影响规律后,开展同一批次加工的硅橡胶、聚四氟乙烯、铝合金、铜合金、结构钢等支撑材料对KDP晶体的装配附加面形畸变的影响实验,获得KDP晶体装配支撑材料,以低弹性模量的硅橡胶为最佳,能够实现KDP晶体的总面形PV值为6.51μm。

数据驱动的KDP晶体加工表面质量分类研究

为辅助监控超精密飞切机床对磷酸二氢钾(KDP)精加工过程中偶发的加工误差,结合机床加工过程中的振动数据和温度数据关键特征提取,建立晶体加工表面的预测模型。基于ResNet-18分析振动数据与KDP晶体表面是否合格之间的联系进行二分类预测,最终在测试集上模型准确率达到88.5%。同时,基于XGBoost模型分析温度数据与KDP晶体表面质量低频指标P-V的联系并进行预测,实验结果表明预测模型能较快预测加工元件表面质量,且整体误差在可接受范围内。对加工误差进行溯源分析,构建机床的整机模型,利用有限元分析计算长时间的加工状态下机床的瞬态温度场,仿真结果表明在机床运行8580 s后机床最高温度达26.9℃,并开展实验证明了仿真结果的准确性,证实了“KDP晶体加工后期质量变差”与“机床主轴系统随加工过程持续升温”有关的推论。

KDP晶体潮解抛光中相对速度的研究

基于KDP晶体潮解抛光原理对KDP晶体抛光过程进行运动学分析,得到KDP晶体表面上一点相对于抛光垫的速度表达式。在抛光垫转数、载样盘圆心与抛光垫圆心之间的水平距离、载样盘圆心与其摆动圆心之间的水平距离、KDP晶体表面上一点到载样盘圆心的水平距离取不同值时,分别绘制KDP晶体表面某点相对于抛光垫的速度曲线,得到这几个参数对相对速度的影响规律,并据此确定这些参数的优化方向。

KDP晶体生长机理实验研究手段综述

KDP晶体是典型的水溶液型人工晶体。它具有非线性光学性能优良、易于生长出大尺寸单晶的优点,被用来制作惯性约束核聚变(ICF)工程中的倍频器件。但大晶体在生长过程中容易出现开裂、包藏等缺陷,严重影响晶体的物理性能。为了生长出高质量单晶,针对KDP晶体的生长机理研究与生长工艺改进工作一直在进行。在此背景下,本文总结了近半个世纪以来针对该晶体生长机理研究的主要实验手段,分别介绍了它们的工作原理及存在的优缺点,并对部分研究结果进行了整理,可为其他水溶液型晶体生长机理研究工作提供有用参考。

KDP晶体加工表面的亚表面损伤检测与分析

采用截面显微法和择优蚀刻法分别对磷酸二氢钾(KDP)晶体从线切割样品制备到磨削、抛光亚表面损伤进行检测,利用OLYMPUS MX40光学显微镜对表面腐蚀现象与亚表面裂纹形状进行观测,并对裂纹深度进行测量。结果表明,由线切割产生的亚表面损伤裂纹形状以"斜线状"为主,裂纹深度最大值为85.59μm;由#600砂轮磨削产生的亚表面损伤深度最大值为8.55μm。在(001)晶面出现了四方形的分布密度较高的位错腐蚀坑;而在三倍频晶面上出现的是密度较低、形状类似梯形的位错腐蚀坑。该研究为KDP晶体亚表面损伤提供了一种检测与分析手段。

KDP晶体柱面生长速率实时测量研究

KDP晶体生长速率高精度地实时测量有助于研究各种因素对晶体生长的影响．本文用激光偏振干涉法实现了对KDP晶体柱面生长速率和死区的实时测量,精度达到0．01μm／min．籽晶尺寸等实验条件影响测量的结果,小尺寸(约2mm×2mm)的晶体更有利于死区的表征, 溶解阶段造成的晶体表面位错坑是出现干扰测量的“异常”现象的根源．

KDP晶体增透膜和保护膜性能研究

报道了溶胶－凝胶工艺制备的ＫＤＰ晶体保护膜、增透膜和它们的性能。多孔二氧化硅增透膜峰值透射率大于９９％，膜层折射率约１．２３。对１．０６μｍ，脉宽约１ｎｓ的激光，单层膜的激光破坏阈值约１０Ｊ／ｃｍ２左右，有保护膜和增透膜的膜层激光破坏阈值约５～８Ｊ／ｃｍ２。

KDP晶体各向异性力学特性分析

利用压痕实验研究了KDP晶体在(001)晶面不同晶向上的硬度和断裂韧性力学特性,在此基础上利用划痕实验对(001)晶面不同晶向上的脆塑性转变点位置进行了研究。结果表明:在KDP晶体(001)晶面的[110]晶向上硬度值最小,断裂韧性值最大,最易产生塑性变形,最不易产生脆性断裂,在该方向上可以得到较大的临界切削深度,而在[100]晶向上硬度最大,最易产生脆性断裂,不易产生塑性变形,临界切削深度最小。此研究结果为磨削实验提供指导意义,即在(001)晶面上沿[110]晶向能加工出表面质量较好的KDP晶体。

KDP晶体力学参数测试与分析

采用全自动、高精度RMT-150C力学试验系统开展了KDP晶体的力学参数测试,获得了KDP晶体[001]和[100]晶向的弹性模量、泊松比、抗压强度和抗拉强度。结果表明:[001]和[100]晶向的弹性模量分别为39.25MPa和16.82 MPa,泊松比分别为0.24和0.16,KDP晶体为典型的弹脆性横观各向同性材料。KDP晶体在[001]晶向的抗压强度、抗拉强度均较[100]晶向的高,其在[100]晶向更容易发生脆性破坏。结合KDP晶体的生长受力状态,揭示了KDP生长过程中产生的破坏以拉破坏为主,为开展KDP晶体开裂的力学损伤分析、提出防止开裂的力学措施奠定了重要的基础。

Fe^(3+)对KDP晶体生长影响的研究

金属离子对KDP晶体的影响是多方面的。本文采用不同的过饱和度,在不同的Fe3+掺杂浓度的生长溶液中生长KDP晶体,定量地研究了Fe3+对KDP晶体生长的影响。实验发现,无论是在高过饱和度还是在低过饱和度下生长KDP晶体,在一定的浓度范围内,Fe3+的掺入既可以增加生长溶液的稳定性,又可以有效抑制晶体柱面的扩展,而且晶体基本不楔化,同时,对晶体光学性能的影响也不大。

KDP晶体折射率不均匀性对三倍频转换效率的影响

采用正交偏振干涉测量法获得了典型的快速(RG)和传统(CG)生长的KDP晶体折射率空间分布,数值模拟了倍频晶体固定失谐角分别为0和220μrad时晶体折射率不均匀性对高功率三倍频光转换效率的影响。结果表明:快速生长晶体的折射率不均匀性的均方根约为传统生长晶体的6倍;三倍频转换效率在低功率密度下对折射率不均匀性不敏感,在高功率密度下尤其是转换效率较高时很敏感;当混频过程中的二倍频光不过剩时,在晶体折射率变化对三倍频效率的影响方面,倍频晶体比混频晶体严重;目前国产的传统生长晶体可以满足高功率三倍频实验要求。

KDP晶体单点金刚石切削脆塑转变机理的研究

加工超光滑表面的KDP晶体是现代超精密加工技术领域的重点研究课题。实验采用维氏压痕法研究KDP晶体脆性材料(001)面不同晶向的硬度、断裂韧性的变化规律。通过建立KDP晶体脆塑转变临界切削厚度模型,研究了KDP晶体金刚石切削脆塑转变机理。结果表明,脆塑转变临界最小切削厚度出现在断裂韧性最小而硬度最大的[110]方向;脆塑转变临界切削最大厚度出现在断裂韧性最大而硬度最小的[001]方向。并利用超精密机床加工了KDP晶体,加工结果与理论推导结论相符合,在[001]方向加工出表面粗糙度为7.5nm(RMS)的超光滑表面。

KDP晶体超声辅助磨削的亚表面损伤研究

通过采用角度抛光和逐层抛光法以及择优化学腐蚀,对基于超声辅助磨削的KDP晶体试件进行亚表面损伤形式观察以及损伤深度检测,以便为后续加工提供指导。损伤检测实验表明:在超声辅助磨削工艺条件下,亚表面损伤以与磨粒运动方向平行的中位裂纹为主,且裂纹间距具有一定的规律性;亚表面损伤深度为19～48μm,磨头形状(有无倒角)较之磨头磨粒粒度对亚表面损伤深度具有更大的影响,使用有倒角的磨头可得最小亚表面损伤。

热退火对KDP晶体微结构的影响

用X射线衍射和Raman光谱技术研究了KDP晶体165℃退火前后微观结构的变化。实验发现退火24h可以减小晶体生长过程中带来的晶格的畸变,提高了晶体的完整性,缩小晶体中键长和键角的变化范围,使晶体内应力得以部分释放。对于快速生长的晶体,退火的效果更加显著。

硫酸盐掺杂对KDP晶体生长的影响

SO42-是KDP原料中一种常见的杂质离子,通过传统降温法和“点籽晶”快速生长法研究了掺杂K2SO4的KDP晶体的生长。实验表明,硫酸根低浓度掺杂时可提高溶液的稳定性,促进晶体的生长,造成柱面扩展;高浓度时溶液稳定性遭到破坏,出现杂晶,晶体生长速度变慢,晶体出现开裂,柱面发生“楔化”。

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。

Cr^(3+)掺杂对快速生长KDP晶体的生长习性和光学性能的影响

采用快速法生长了掺杂不同Cr3+浓度的KDP晶体,测试了KDP晶体(100)面在不同Cr3+掺杂浓度下的生长速度及死区,表征了Cr3+掺杂的KDP晶体的Cr3+元素分布、透过光谱、散射颗粒分布和光损伤阈值.实验表明Cr3+易吸附在晶体(100)面,从而增大了(100)生长死区,并降低了(100)面生长速度.Cr3+使快速生长的晶体产生柱、锥面生长区分界线.元素分析表明Cr3+更容易通过柱面生长进入晶体,从而导致晶体在可见光波段及紫外波段透过率的降低,最明显的是在220、450和650 nm三处吸收峰的出现.Cr3+进入晶体后使晶体中散射颗粒增多,基频和三倍频脉冲激光照射下晶体的损伤阈值随Cr3+掺杂浓度的增加而降低,且柱面区的损伤阈值要低于锥面区的损伤阈值.

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、158.5μm和112.6μm,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。