【摘要】：KH2PO4(KDP)晶體是目前慣性約束核聚變(ICF)裝置中變頻器和光開關(guān)唯一可使用的大尺寸晶體。然而質(zhì)軟、脆性高、對(duì)溫度和應(yīng)力變化敏感、易開裂和潮解等特性,使KDP被公認(rèn)為是一種極難加工的材料。目前,國(guó)內(nèi)外的研究大量集中在KDP晶體的超精密拋光方面,而關(guān)于KDP晶體的切割卻鮮有報(bào)道。目前KDP晶體的切割仍采用傳統(tǒng)帶鋸或金剛石線鋸機(jī)械切割方式,不但效率低下,加工安全性也很差,經(jīng)常發(fā)生毀滅性的碎裂。本文針對(duì)目前存在的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn),從激光誘導(dǎo)拉應(yīng)力分離入手,在國(guó)內(nèi)外首次提出了KDP晶體激光分離切割創(chuàng)新技術(shù),為晶體器件的制造提供了一條全新的技術(shù)途徑。 本論文利用KDP晶體抗壓強(qiáng)度高(113Mpa)而抗拉強(qiáng)度極低(僅為5～8Mpa)這一特性以及透明材料對(duì)激光呈體吸收效應(yīng),將超快激光“冷”加工技術(shù)和傳統(tǒng)激光的“熱”加工技術(shù)有機(jī)結(jié)合,提出了KDP晶體雙激光束分離切割技術(shù)和KDP晶體鏡面無(wú)損激光分離技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是利用超快激光對(duì)KDP晶體進(jìn)行預(yù)處理,實(shí)現(xiàn)晶體光吸收率和分子結(jié)合力的人工調(diào)控,再使用連續(xù)激光束在晶體內(nèi)誘導(dǎo)拉應(yīng)力或微區(qū)拉應(yīng)力實(shí)現(xiàn)晶體沿預(yù)處理線分離切割。因此本論文研究工作及成果主要包括以下幾個(gè)方面： (1)通過(guò)光線追跡和波動(dòng)光學(xué)理論,建立了聚焦激光在KDP晶體內(nèi)的傳輸模型。模擬分析了不同參數(shù)的激光聚焦進(jìn)不同取向的KDP晶體后的傳輸、聚焦、雙折射離焦和光斑畸變特性。結(jié)果表明晶體雙折射效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響E光的傳輸特性,并推導(dǎo)出了晶體內(nèi)部產(chǎn)生的三維動(dòng)態(tài)光強(qiáng)分布函數(shù)。 (2)研究了超快激光與KDP晶體的相互作用過(guò)程,結(jié)果表明峰值功率較低時(shí)可實(shí)現(xiàn)晶體內(nèi)吸收率和分子結(jié)合力的三維調(diào)控；而峰值功率較高時(shí)可實(shí)現(xiàn)微裂紋的預(yù)制。研究了傳統(tǒng)連續(xù)／長(zhǎng)脈沖激光與晶體的相互作用,確定了可用于KDP晶體激光分離(或無(wú)損鏡面分離)的相互作用機(jī)理、機(jī)制和加工光學(xué)系統(tǒng)原型。 (3)基于加工光學(xué)系統(tǒng)和光強(qiáng)分布函數(shù),建立了晶體內(nèi)激光誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型,揭示了KDP晶體激光分離切割機(jī)理和過(guò)程。表明分離機(jī)理為激光誘導(dǎo)的Y方向拉應(yīng)力或微區(qū)拉應(yīng)力。同時(shí)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,確定了關(guān)鍵激光分離切割參數(shù)和最優(yōu)工藝區(qū)間,探明了分離切割過(guò)程中的潛在不利因素,以進(jìn)一步提高分離切割過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性。 (4)基于數(shù)值模擬和理論分析研究結(jié)果,建立了KDP晶體激光分離和無(wú)損鏡面分離系統(tǒng)。采用雙激光束分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了KDP晶體相對(duì)粗糙度僅為2.684μm,局部粗糙度低于500nm的分離切割,其分離速度為機(jī)械切割的20余倍。采用激光無(wú)損鏡面分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了KDP晶體表面粗糙度為4.7nm(p-v)和2.1nm(RMS),平面度為5.433μm,角向精度低于0.06°的無(wú)損鏡面分離,其分離速度更是高達(dá)機(jī)械切割技術(shù)的200倍以上。同時(shí)分析了各分離參數(shù)的影響規(guī)律,并開展了相關(guān)激光分離切割技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究和加工工藝優(yōu)化,獲得了一套完整的KDP晶體激光分離切割技術(shù)理論。
[Abstract]:KH2PO4 (KDP) crystal is the only large size crystal that can be used in the current inertial confinement fusion (ICF) device. However, it is very soft, high brittle, sensitive to temperature and stress changes, easy to crack and deliquescence, so that KDP is considered to be a very difficult to be machined. At present, a lot of research at home and abroad is concentrated in the KDP crystal. However, there are few reports on ultra precision polishing, while the cutting of KDP crystals is rarely reported. At present, the cutting of KDP crystals is still used by traditional band saw or diamond wire saw. Not only the efficiency is low, but also the processing safety is poor, and it often occurs destructive fragmentation. In this paper, the present technical difficulties and challenges are induced by laser induced tensile stress points. In the first place, the innovative technology of laser separation and cutting of KDP crystals was first proposed at home and abroad, which provided a brand new technical approach for the manufacture of crystal devices.
In this paper, the properties of KDP crystal with high compressive strength (113Mpa) and very low tensile strength (only 5 to 8Mpa), and the absorption effect of transparent materials on laser, are combined to combine the ultra fast laser "cold" technology with the traditional laser "hot" processing technology, and the double laser beam separation and cutting technology of KDP crystal and the mirror surface of the KDP crystal are put forward. The basic principle of this technology is to preprocess the KDP crystal with ultra fast laser to realize the artificial regulation of crystal light absorption and molecular binding force, and then use continuous laser beam to induce tensile stress or micro zone tensile stress in the crystal to separate and cut the crystal along the preprocessing line. Therefore, the work and results of this paper are studied and studied in this paper. It mainly includes the following aspects:
(1) through the ray tracing and the wave optics theory, the transmission model of the focused laser in the KDP crystal is established. The transmission, the focusing, the birefringence and the spot distortion of the KDP crystals with different orientation are simulated and analyzed. The results show that the double refraction effect of the crystal will seriously affect the transmission characteristics of the E light, and the derivation is derived. The three-dimensional dynamic intensity distribution function is generated inside the crystal.
(2) the interaction between the ultrafast laser and the KDP crystal is studied. The results show that the internal absorption rate and the molecular binding force can be controlled in three dimensions when the peak power is low, while the micro crack can be prefabricated when the peak power is high. The interaction between the traditional continuous / long pulse laser and the crystal is studied, and it is determined that the KDP crystal can be used in the crystal. The interaction mechanism, mechanism and prototype of processing optical system for laser separation (or lossless mirror separation).
(3) based on the processing optical system and the light intensity distribution function, a mathematical model of laser induced dynamic temperature field and thermal stress field distribution in the crystal is established. The mechanism and process of laser separation and cutting of KDP crystal are revealed. It is shown that the separation mechanism is the tensile stress or the tensile stress in the Y direction induced by the laser. In order to further improve the reliability and stability of the separation and cutting process, the potential disadvantageous factors in the separation and cutting process are explored by separating the cutting parameters and the optimal process interval by the bond laser.
(4) based on the results of numerical simulation and theoretical analysis, a laser separation and non destructive mirror separation system for KDP crystals is established. The relative roughness of the KDP crystal is only 2.684 u m and the local roughness is lower than that of 500nm by double laser beam separation technology. The separation speed is more than 20 times that of the mechanical cutting. The surface roughness of KDP crystal is 4.7nm (P-V) and 2.1nm (RMS), the plane degree is 5.433 u m and the angle precision is less than 0.06 degrees. The separation speed is more than 200 times as high as that of the mechanical cutting technology. Meanwhile, the influence law of the separation parameters is analyzed, and the experimental research on the related laser separation and cutting technology is carried out and the experimental research on the related laser separation and cutting technology is carried out. A complete set of theory of laser separation and cutting technology for KDP crystal has been obtained through optimization of processing technology.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ131.13;O786

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本文編號(hào)：2123493