KDP晶體激光分離切割機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、KH2PO4(KDP)晶體是目前慣性約束核聚變（ICF）裝置中變頻器和光開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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

2、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

3、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(xiàn)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(xiàn)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)。
　　

4、(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

5、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K