磷酸二氢钾晶体微尺度力学行为试验研究

对磷酸二氢钾(Potassium dihydrogen phosphate,KDP)晶体三倍频晶面上0°、45°和90°三个方向,分别进行Berkovich压头纳米压痕试验、维氏显微压痕试验和球形压头纳米划痕试验,观察到明显的压痕尺寸效应现象,得到三个方向各向异性的力学性能、脆塑转变临界载荷和临界深度。试验结果表明,KDP晶体三倍频晶面具有强烈的各向异性,0°、45°和90°方向脆塑转变临界载荷分别为20.4 mN、33.6 mN和63.2 mN,临界深度分别为1.26μm、1.67μm和3.45μm。90°方向因其具有最小硬度、最大断裂韧度以及最深脆塑转变临界深度,在划痕过程中塑性去除最多,脆塑转变最晚,是最优加工方向。根据试验结果,建立球形单点金刚石压头纳米划痕试验时脆性材料脆塑转变临界深度预测模型。

点籽晶降温法快速生长大尺寸磷酸二氢钾晶体

大尺寸磷酸二氢钾(KDP)晶体在惯性约束聚变系统中主要用于制作变频及开关光学元件。在传统生长技术基础上,开展了点籽晶降温法大尺寸KDP晶体的快速生长技术研究,设计制作大型培养槽及载晶架,采用过热注种方式试验点籽晶生长,培育出尺寸50 cm×50 cm×41 cm的KDP大单晶,其(100)面生长速度稳定为15 mm/d。晶体在300～1 100 nm波段的透过光谱与常规生长的等同,影响晶体生长及光学品质的主要的金属杂质离子Fe3+,Cr3+,Al3+等含量少于10-6,晶体激光损伤基频阈值30 J/cm2,三倍频阈值达到8.6 J/cm2。

磷酸二氢钾晶体薄表面层生长动力学实时显微研究

利用光学显微镜实时观测磷酸二氢钾(KDP)晶体柱面及锥面薄表面层的生长过程,测得不同过饱和度下薄表面层前端不同倾角的非正常棱边推移速度。结果表明:倾角越小,非正常棱边推移速度越慢,薄表面生长终止于其前端的正常棱边处;随着过饱和度的增大,非正常棱边推移速度线性增加。计算得到柱面及锥面薄表面层前端非正常棱边推移动力学系数,由于Eslice(010)> Eslice(101),因而柱面薄表面层的生长动力学系数大于锥面。建立了基于非奇异面上台阶生长机制下的薄表面层生长体扩散模型。应用该模型解释了薄表面层生长速度随其厚度及前端非正常棱边倾角的变化关系,并讨论了溶液流动对薄表面层生长的影响。结果发现薄表面层生长存在一个使其以恒定厚度向前推移的临界厚度。

大口径氘化磷酸二氢钾晶体离线亚纳秒激光预处理技术

大口径氘化磷酸二氢钾(DKDP)晶体抗激光损伤性能偏低严重地制约着大型高功率激光装置输出水平.本研究利用离线亚纳秒激光预处理技术有效地提升了大口径DKDP晶体抗激光损伤性能.实际使用情况表明,采用离线亚纳秒激光预处理后,DKDP晶体在9 J/cm^(2)激光通量辐照下的表面平均损伤密度得到大幅下降,由未处理前的5.02 pp/cm^(2)(1pp表示1个百分点)降至0.55 pp/cm^(2),降幅为一个数量级.同时,激光预处理对晶体损伤尺寸具有一定的抑制作用,预处理后晶体损伤点尺寸分布曲线向尺寸减小的方向平移,尺寸分布峰值由预处理前的25μm降至预处理后的18—20μm.

用光致发光研究不同通量辐照磷酸二氢钾晶体的缺陷

磷酸二氢钾晶体中的缺陷对晶体的激光诱导损伤起着重要作用.晶体的激光诱导损伤限制了大功率激光系统的发展.本文用真空紫外光致发光发射谱研究了不同通量辐照下磷酸二氢钾晶体的缺陷.与11.5 J/cm^2辐照下的晶体及退役元件相比,9 J/cm^2辐照下晶体的荧光谱中在231.55 nm处出现了一个新峰.它可能源于自捕获激子的辐照湮灭.9.0 J/cm^2辐照晶体中主要是短链结构,而退役元件的损伤较复杂,有短链、中链和长链结构.短链中的P—O键比长链中的短,磷的3s轨道与氧的2p轨道重叠增加,则自捕获激子的辐照湮灭增强.结果显示出退役元件与9 J/cm^2辐照下晶体的结构不同.对研究磷酸二氢钾晶体的激光诱导损伤机制有重要意义.

磷酸二氢钾晶体飞切过程中温度场的分布及其对切屑形貌的影响

研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体飞切加工过程中温度场的分布,探索了切削温度对KDP晶体切削过程的影响。首先,采用热力耦合有限元分析对KDP晶体切削过程进行了仿真,获得了不同切削深度下材料内部温度场的分布。分别使用飞切机床和纳米压痕仪在不同速度下切削KDP晶体,发现不同切削速度下形成的切屑的微观形貌存在显著差异,分析指出这可能是由于在不同切削速度下切削区域温度差异导致的。最后,对低速加工过程中获得的切屑进行加热试验,并观测了不同温升条件下切屑微观形貌的变化。飞切加工仿真实验显示:当切深为200nm时,切削区域的温度达到110℃;而实际实验结果表明:当温度超过100℃时,切屑的微观形貌会发生明显变化。综合仿真及实验结果可知:在KDP晶体飞切加工过程中切削区域的温度将超过100℃,因此在对KDP晶体切削机理进行研究时,必须考虑温度对材料力学性能及其去除过程的影响。

磷酸二氢钾晶体的合成和生长实验的改进探索——以西北师范大学无机制备教学为例

根据学生在无机化学实验学习过程中出现的问题及反馈,本文将磷酸二氢钾晶体的合成和生长实验进行教学改进。在原有晶体的合成基础上,增加了晶体的分类、X-射线单晶衍射仪使用、cif文件信息的处理和3D模拟晶体软件Diamond的学习。通过对实验内容、实验过程进行深入的学习,学生在学习过程中遇到的问题得到了解决,他们的学习兴趣和自主学习能力也得到了提高。教师辅助学生查阅文献和分析整合资料,使学生具备了一定的科研基础。

大截面KDP晶体在激光核聚变研究中的应用

介绍了大截面ＫＤＰ晶体在激光核聚变中的应用，并简述了该晶体的研究动态。

KDP晶体中散射的研究

光散射是衡量磷酸二氢钾（ＫＤＰ）晶体质量优劣的一个重要参数，但是由于散射点的尺寸小，因而其组成成分和成因的研究、分析十分困难．本文首次利用透射电镜（ＴＥＭ）研究了ＫＤＰ晶体中液相散射颗粒的尺寸、组成成分，提出了散射形成机理，并进行了验证．

KDP晶体三倍频晶面微观力学行为及加工性能

为了揭示磷酸二氢钾(KDP)晶体三倍频晶面微观弹塑性力学行为及加工性能,开展了纳米压痕研究。建立了KDP晶体三倍频晶面各向异性力学模型,基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法对纳米压痕进行了数值仿真并完成了纳米压痕测试实验。实验结果表明:实验与仿真计算的载荷-压入深度关系曲线的相关系数为0.996 328,吻合度较高,验证了力学模型的正确性,得出KDP晶体三倍频晶面的屈服强度为240MPa。数值仿真结果显示:由于材料的各向异性,工件内部应力呈不规则圆弧状分布;载荷大小与等效应力影响深度呈近似线性递增关系;材料表面等效塑性应变分布形状与压头投影面几何形状相类似,存在复映效果。当载荷小于2mN时,各压头的残余应力深度差异性较小(小于0.2μm);随着载荷逐渐增大,这种差异不断扩大。得到的结果为实现KDP晶体三倍频晶面的高效低损伤加工提供了理论支撑。

溶液循环流动法生长大尺寸KDP晶体

本文研究了溶液循环流动法生长大截面ＫＤＰ晶体的工艺条件．发现影响晶体生长的关键因素是溶液的充分过热、流动体系的流量和生长相的温场．测定了不同条件下生长槽的温场，确定了最佳晶体生长区域。用循环流动法能提高溶液的过饱和度、加快晶体生长速度．

点状籽晶法生长KDP晶体的(100)面位错分布

通过光学显微镜对点状籽晶法生长的KDP晶体(100)面位错蚀坑的观察和分析,发现柱区的位错线走向不同于片状籽晶法生长的晶体。晶体的位错主要来自籽晶的位错。通过籽晶成锥-微溶-生长的过程可以减少籽晶锥区位错向晶体中的延伸,在晶体内部,当两条夹角很小的位错线相交时会合并成一条位错线。

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.

第一性原理研究KDP晶体中Ba取代K点缺陷

用基于第一性原理的CASTEP模拟了Ba替代K缺陷前后形成的电子结构和能态密度。发现晶体能带宽度降至6.4 eV左右,对应着380 nm的双光子吸收,这一结果可以解释掺Ba晶体在紫外波段的吸收现象。Ba替代K点缺陷仅使其周围的晶格及电子结构发生轻微畸变,对晶体整体结构影响不大。

KDP晶体电弹常数的测量

采用LRC电桥、谐振法和干涉法分别测量了磷酸二氢钾(KDP)晶体的相对介电常数、弹性应变常数和压电应变常数,并与文献中的相应数值作比较。该文实验测到KDP晶体的弹性柔顺系数s11=3.11×10-11 m2/N,弹性劲度系数c11=4.6×1010 N/m2,与以往相关文献中报道不符;压电应变常数d14=9.51×10-12 C/N,纠正了以往相关文献中的不精确报道;其他电弹系数的测试结果与文献数值相符。

激光聚焦线扫描法测量KDP晶体坯片的体缺陷

为了快速准确测量磷酸二氢钾(KDP)晶体坯片的体缺陷,提出了高速激光聚焦线扫描散射成像方法,并建立了相应的测量系统。研究了该系统的测量原理和图像采集、图像处理和体缺陷信息提取方法。基于激光散射技术,结合高速运动装置对晶体坯片内部进行三维扫描,用线阵CCD探测器接收气泡、包裹物等体缺陷产生的散射光。然后利用折射率匹配液消除粗糙表面带来的不利影响。最后结合数字图像处理技术,对采集的图像进行实时处理。通过去除背景后与设定阈值比较得到具有体缺陷特征的图像,再对其进行二值化处理,提取得到体缺陷的位置和尺寸信息。利用该检测装置对KDP晶体坯片体缺陷进行了测量,结果显示其检测分辨率优于40μm,能够为晶体坯片的精确切割和最大程度的利用提供依据,从而节省了大量成本。

偏磷酸盐掺杂对KDP晶体生长与光学性能的影响

研究了KDP晶体中散射颗粒形成的一种机理。掺杂微量偏磷酸盐即可使KDP晶体中出现散射颗粒 ,随着掺杂浓度提高 ,散射颗粒密度增大。散射颗粒形成的原因在于偏磷酸根具有PO4 四面体端基 ,在晶体生长时容易被生长晶面吸附进入晶格。偏磷酸盐掺杂影响了晶体的光学性能 ,晶体的光损伤阈值也明显地爱到掺杂的影响。

KDP无磨粒抛光微机械作用力学模型建立与仿真

无磨粒化学机械抛光是一种柔和的表面处理方法,可以有效去除磷酸二氢钾(KDP)晶体表面的小尺度飞切刀纹。在抛光过程中不使用磨粒,KDP晶体与抛光垫粗糙峰直接接触,两者之间相对运动,在表面接触应力的作用下,抛光垫对KDP晶体表面产生微机械作用,在实现材料去除和改善表面质量方面具有重要的作用。为了深入了解无磨粒化学机械抛光中微机械去除作用,文章通过研究表面接触应力分布和变化规律,对抛光过程中的微机械作用进行定量分析,建立了KDP晶体与抛光垫粗糙峰接触力学的数学模型并开展系统研究。根据Hertz理论对抛光过程中KDP晶体表面接触应力进行了计算与分析,研究了抛光压力、摩擦系数、抛光垫杨氏模量和抛光垫粗糙峰半径等抛光参数对微机械作用的影响规律,获得了不同抛光条件下最大许用抛光压力。结合实验结果,对KDP晶体与抛光垫之间的微机械作用进行了实验验证,进一步揭示了KDP晶体无磨粒化学机械抛光去除机理。

激光预处理技术及其应用

回顾了国内在激光预处理技术研究方面取得的进展。综述了基于激光预处理技术提升基频介质膜、磷酸二氢钾/高掺氘磷酸二氢钾(KDP/DKDP)晶体等光学元件抗激光损伤性能的机理、效果和关键技术。针对高功率激光驱动器中关键光学元件激光负载能力的提高,建立了大口径光学元件激光预处理平台,实现了基频介质膜元件的激光预处理工程化作业。比较了纳秒和亚纳秒脉冲宽度激光对DKDP晶体损伤性能的影响。基于亚纳秒激光预处理后,纳秒激光辐照至14.4J/cm2(5ns)尚未出现"本征"损伤的实验结果,提出了用于DKDP晶体的亚纳秒激光预处理方案,并指出亚纳秒激光预处理技术将成为高功率激光三倍频晶体抗激光损伤性能达标的关键技术。

过饱和度对KDP晶体生长及表面形貌的影响

采用原子力显微镜对35℃附近,在不同过饱和度下生长的KDP晶体(100)面生长台阶的推移进行了系统的研究,用激光偏振干涉手段实时测量了KDP晶体(100)面的台阶推移速率与过饱和度之间的关系。结果表明:台阶的推移速率ν随过饱度σ的增加而增大,过饱和度死区σ_d和线性区σ*的值分别为0.018和0.033。当σ=0.07时,晶体推移速率ν增加变缓,进入延长线通过原点的线性区。台阶宽度随σ的增加呈现出先增大后降低的趋势,当σ=0.01、0.05和0.08时,台阶聚并程度和斜率都高;当σ=0.08时,晶体表面出现树枝状支台阶。在不同过饱和度区间内台阶推移方式发生的变化可能是影响台阶聚并程度和推移速率的原因。