基于水溶解原理的KDP晶體超精密數(shù)控拋光方法.pdf

1、KDP晶體（磷酸二氫鉀單晶）具有優(yōu)秀的電光性能，是目前唯一能夠滿足慣性約束核聚變工程中高功率激光系統(tǒng)對變頻元件性能要求的非線性晶體材料，但是KDP晶體硬度低、脆性大、各向異性強(qiáng)、抗熱沖擊能力差、可溶于水，現(xiàn)有的單點(diǎn)金剛石飛切加工工藝雖然已經(jīng)成為國內(nèi)外主流采用的超精密加工手段，但是其固有的飛切加工紋理和加工損傷阻礙其使役性能的進(jìn)一步提高，如何消減飛切紋理，實(shí)現(xiàn)近無機(jī)械損傷的高表面完整性和超精密加工是面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和亟待解決的工程難題。

2、r>　　國內(nèi)外研究人員嘗試采用超精密磨削、磁流變拋光和離子束拋光等技術(shù)手段加工KDP晶體元件取得了一定效果，但是其加工難題仍未能完全解決，這也是制約中國相關(guān)工程建設(shè)的瓶頸之一。
　　基于KDP晶體水溶性特點(diǎn)發(fā)明的無磨料水溶解拋光方法是本項(xiàng)目課題組提出的一種KDP晶體超精密加工新原理，并且采用環(huán)拋方式在小尺寸(18mm×18mm)KDP晶體上取得了顯著的超精密加工結(jié)果。本文在該研究的基礎(chǔ)上，針對大尺寸KDP晶體超精密加工迫切需求，應(yīng)

3、用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS)，開展了基于水溶解原理的KDP晶體超精密數(shù)控拋光新方法研究，探索大尺寸KDP晶體元件超精密加工制造難題解決的新途徑。
　　本文首先通過系統(tǒng)深入的試驗(yàn)研究，揭示了基于水溶解原理的KDP晶體拋光過程材料的“機(jī)械-水溶解交互協(xié)同作用”去除機(jī)理，確認(rèn)了軟質(zhì)拋光墊單一的機(jī)械作用幾乎不會引起材料去除，且在拋光區(qū)域內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)“

4、油包水”結(jié)構(gòu)的拋光液，亦不會形成有效的材料去除，只有在拋光區(qū)域內(nèi)拋光墊與晶體表面粗糙峰接觸處，在拋光墊機(jī)械摩擦作用下“油包水”結(jié)構(gòu)破裂引起KDP晶體局部微溶解，才能夠?qū)Ρ砻娲植诜暹M(jìn)行選擇性去除。在此基礎(chǔ)上，以測量得到的晶體表面各點(diǎn)高度為目標(biāo)去除量，通過計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)小尺寸工具的運(yùn)動軌跡及其在晶體表面各區(qū)域的駐留時間，精確控制機(jī)械-水溶解交互協(xié)同作用的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了晶體表面的定域定量微納去除。
　　創(chuàng)新提出了基于水溶解原理的KDP晶體超精

5、密數(shù)控拋光方法，建立了能夠精確控制小尺寸拋光頭運(yùn)動軌跡的KDP晶體數(shù)控超精密拋光試驗(yàn)系統(tǒng)。為獲得基于水溶解原理的KDP晶體超精密數(shù)控拋光方法的最佳效果，揭示了“油包水”型拋光液在不同條件下對KDP晶體的靜態(tài)刻蝕特性，確定了氣-掖界面處的溶解情況惡化的臨界含水量為ω*，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)拋光液中含水量小于ω*時，拋光液長時間接觸KDP晶體也不會對其表面質(zhì)量造成較大影響;溫度的升高會造成拋光液中“油包水”體系穩(wěn)定性下降，使原本性能穩(wěn)定

6、的拋光液破壞晶體表面。
　　基于Preston方程創(chuàng)建了KDP晶體水溶解拋光材料去除函數(shù)模型，試驗(yàn)確定了拋光區(qū)域溫度變化、拋光液含水量、轉(zhuǎn)速、拋光壓強(qiáng)、拋光自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)方向等因素在去除函數(shù)方程中的影響系數(shù)，給出了被加工表面各點(diǎn)駐留時間函數(shù)算法和小拋光頭水溶解超精密拋光流程，試驗(yàn)證明了所建立的材料去除函數(shù)的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，分析比較了柵格、螺旋線、Hilbert曲線三種拋光軌跡的特點(diǎn)和加工效果，綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)調(diào)速的便捷性，優(yōu)選采用柵

7、格軌跡規(guī)劃對KDP晶體樣件進(jìn)行加工，試驗(yàn)給出了能夠獲得最低表面粗糙度的拋光工藝參數(shù)組合。
　　針對國家相關(guān)重大工程項(xiàng)目中大尺寸KDP晶體單點(diǎn)金剛石飛切后表面殘余小尺度刀紋去除難題，應(yīng)用本文研究的方法，成功消減了50mm×50mm的KDP晶體和DKDP晶體樣件表面的飛切刀紋，樣件表面粗糙度分別由6.974nm、8.661nm大幅降至1.790nm和1.929nm，小尺度飛切刀紋被完全去除，且有效消減了飛切加工表面小尺度刀紋引起的中高