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)質非線性光學晶體，是當前唯一可用作慣性約束核聚變裝置（ICF）、強激光武器等光路系統(tǒng)中的激光倍頻和光電開關的光學材料。KDP晶體具有各向異性、質地軟、脆性大、易潮解、較高的熱膨脹系數等不利于加工的材料特性，被公認為最難加工的材料之一。目前，國內外廣泛采用單點金剛石切削或飛刀切削技術對KDP晶體進行超精密加工，然而，該工藝容易在加工表面產生明顯的刀紋，制約了加工表面質量的進一步提升，特別是切削表面存在小尺度

2、波紋，嚴重影響了系統(tǒng)輸出的光束質量?；诔苯庠淼拇帕髯儝伖饧夹g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，進而形成了單點金剛石切削和磁流變拋光相結合的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極容易嵌入質軟的KDP晶體表面，降低KDP晶體的光學性能。為此，去除磁流變拋光嵌入KDP晶體表面的鐵粉時超精密加工所面臨的一個十分迫切的任務。本文提出利用低能離子束拋光技術清除KDP晶體表

3、面嵌入的鐵粉等雜質，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)，論文對以下幾個方面做了具體研究：
　　(1) KDIBF650-5V超精密光學元件離子束拋光系統(tǒng)研制。對離子束拋光系統(tǒng)進行設計；采用可任意位置放置的非燈絲型中和器并放置在遠離光學元件的位置，減小中和器對熱敏感KDP晶體材料的影響；設計雙室真空系統(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現工件的更換，減小了離子束加

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

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

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、切實可行的實施方法：首先，研究工藝參數對溫度場和應力場的影響規(guī)律，優(yōu)化離子束加工工藝參數；其次，提出跨行距大間隔移動路徑，對離子束的移動路徑進行優(yōu)化；最后，針對離子束修形宜采用小束徑的特點，提出低通濾波加工新方法，并根據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量研究。首先，分析離子束拋光前后KD

7、P晶體表面物質組成結構的變化情況，離子束拋光不改變晶體結構；其次，研究離子束拋光工藝參數對KDP晶體表面粗糙度的影響規(guī)律，并以此為依據選擇適當的工藝參數實現KDP晶體超光滑表面；再次，研究不同晶面以及不同晶向對離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例。根據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控制為目標，融入離子束工藝參數選擇、離子束移動路徑優(yōu)化和濾波加工等工藝。而后，結合本文研究的理論和工藝在 KDIBF650-5V上對KDP晶體進行修形實驗，得到滿足面形精度要求的KDP晶體光學元件；最后，對超精密切削、磁流變拋光和離子束拋光技術三種工藝方法下的KDP晶體進行激光誘導損傷閾值實驗測量，通過對比發(fā)現：離子束拋光技術顯著提