KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能的研究

压痕和刻划实验是测量材料弹性、塑性和断裂行为的最简单方法,磷酸二氢钾(简称KDP)作为优质的非线性光学材料,常用作光学频率转换器件和电光开关元件,一般采用单点金刚石削的方法加工此类零件.为了深入了解KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能的变化规律,本文对KDP晶体单点金刚石切削加工表层力学性能指标如硬度H、断裂韧性Kc和残余应力σr方面的有关问题进行深入研究,并通过对KDP晶体(001)面不同晶向上的硬度检测,系统分析了KDP晶体加工表面晶向对材料硬度、断裂韧性和残余应力的影响,研究结果表明:KDP晶体的同一晶面的不同晶向硬度和断裂韧性具有强烈的各向异性.     

KDP晶体柱面生长速率实时测量研究

KDP晶体生长速率高精度地实时测量有助于研究各种因素对晶体生长的影响. 本文用激光偏振干涉法实现了对KDP晶体柱面生长速率和死区的实时测量, 精度达到0.01μm/min. 籽晶 尺寸等实验条件影响测量的结果, 小尺寸(约2mm×2mm)的晶体更有利于死区的表征, 溶解阶段造成的晶体表面位错坑是出现干扰测量的“异常”现象的根源.     

KDP晶体单点金刚石切削脆塑转变机理的研究

加工超光滑表面的KDP晶体是现代超精密加工技术领域的重点研究课题。实验采用维氏压痕法研究KDP晶体脆性材料(001)面不同晶向的硬度、断裂韧性的变化规律。通过建立KDP晶体脆塑转变临界切削厚度模型,研究了KDP晶体金刚石切削脆塑转变机理。结果表明,脆塑转变临界最小切削厚度出现在断裂韧性最小而硬度最大的[110]方向;脆塑转变临界切削最大厚度出现在断裂韧性最大而硬度最小的[001]方向。并利用超精密机床加工了KDP晶体,加工结果与理论推导结论相符合,在[001]方向加工出表面粗糙度为7.5nm(RMS)的超光滑表面。     

超精密飞刀切削加工表面中频微波纹产生机理

超精密飞刀切削是一种重要的超精密加工手段,安装大飞刀盘的超精密铣床能够加工大口径超精密光学元件,加工表面具有很高的面形精度和很低的表面粗糙度值.但是加工表面普遍存在中频微波纹（空间周期从100μm到300μm,幅值低于0.1μm）,极大影响了光学元件的使用.超精密铣床的主轴旋转精度对加工工件影响很大,尤其是主轴轴线偏转会使安装在大飞刀盘外缘处的刀具产生很大位移.为此,建立了适用于空气静压轴承支撑的立式主轴角位移欧拉动力学方程,推导出方程解析解,得出主轴运动规律及其对表面中频微波纹的影响,并设计实验进行验证.最终给出了抑制中频微波纹的工程措施.     

大尺寸KDP晶体生长开裂的尺度效应分析

在人工生长大尺寸KDP(磷酸二氢钾,KH2PO4)晶体过程中晶体会发生开裂现象,尤其是晶体生长到400mm左右时晶帽下端容易出现裂纹.为了研究KDP晶体的生长过程中的开裂机制,采用有限元方法模拟该晶体的生长过程,重点分析了晶体在不同生长尺寸的应力场分布规律,结果表明生长过程中晶体内部应力分布存在明显的尺度效应.当KDP晶体生长达到400mm时,晶帽下部受力逐渐由受压状态转变为受拉状态,根据KDP晶体材料抗拉不抗压的性质,此时开裂的机率增大.这一发现为下一步深入研究晶体生长开裂的损伤力学机制和寻找KDP晶体生长中的防裂措施奠定了基础.     

KDP晶体应力数字式检测方法

使用高精度数字式应力仪测量KDP晶体的应力,给出整体应力分布.通过沿光轴方向测量,消除晶体.光和e光的双折射效应的影响,准确得到晶体材料自身的应力双折射分布.实验结果表明,测量重复性优于0.1nm/cm.对KDP晶体材料应力的高精度数字式检测对于加工和使用具有重要的指导意义.     

喷流转晶法KDP晶体生长系统的流动与传质模拟

提出了一种通过锥顶喷流改善KDP锥面过饱和度的晶体生长方法。采用有限体积法和滑移网格技术,对传统转晶法及喷流转晶法的KDP晶体生长过程进行了数值模拟。展示了两种生长方式下晶体表面过饱和度时均分布云图及均方差,分析了不同转速、不同喷流速度、不同晶体尺寸对晶面时均过饱和度及均方差的影响。结果表明:相比于传统转晶法,喷流转晶法晶体的锥面过饱和度提高且表面均匀性增加。提高喷流速度可以进一步提高锥面过饱和度,但其均方差却呈现先减小后增大的变化。旋转速度的增加能提高锥面过饱和度并减小其均方差。此外,晶体尺寸也会在一定程度上影响喷流的效果。     

添加剂DTPA对KDP晶体快速生长及性能的影响研究

在添加1×10^-4 (mol/mol KDP) 二乙烯三胺五乙酸(DTPA)的溶液中, 利用“点籽晶”快速生长法生长了KDP晶体. 实验发现, 添加少量DTPA即可使不同饱和温度下的KDP生长溶液的亚稳区宽度均得到提高. 利用激光偏振干涉装置研究了不同浓度的DTPA对KDP晶体(100)面生长动力学的影响. 发现随DTPA掺杂量增加, 临界过饱和度(死区)一直降低, 生长速度则是先增加经过一个最大值后减小. 表征了晶体的光学透过率和晶体内部的杂质金属离子含量, 发现掺杂1×10^-4 (mol/mol) DTPA大幅提高了快速生长的KDP晶体在紫外区的透过率, 并有效地减少了进入晶体内部的杂质金属离子含量.     

Cd/Zn气氛退火过程中CdZnTe晶体内Te夹杂的迁移研究

通过红外透过成像研究了Cd/Zn气氛退火过程中Cd0.9Zn0.1Te∶In晶体内Te夹杂的密度及尺寸分布的演变。结果发现,Cd/Zn气氛退火前,晶体中的Te夹杂密度分布比较均匀;退火后,晶体高温端近表面区域的Te夹杂密度较退火前提高了1个数量级,而晶体内部的Te夹杂密度则较退火前降低了1个数量级,且其密度沿温度梯度方向逐渐增加。退火前,晶体表面和内部的Te夹杂的直径主要分布在1~25μm;退火后,在晶体表面,直径45μm的Te夹杂密度显著增大;而在晶体内部,直径5μm和25μm的Te夹杂密度显著增大。导致这些现象的原因是退火过程中,Te夹杂沿着温度梯度方向不断向晶体表面迁移,在迁移过程中尺寸相近的Te夹杂通过合并长大,尺寸相差较大的Te夹杂则以Ostwald熟化方式长大,并使小尺寸的Te夹杂更小。但由于熟化不充分,在Ostwald熟化长大过程中留下了很多尺寸5μm的Te夹杂颗粒。     

KDP晶体塑性域超精密切削加工过程仿真

提出了压痕实验与有限元仿真结合的方法。它采用压痕深度与有限元仿真深度进行对比,可求解出KDP晶体的塑性特性参数。建立了KDP晶体塑性域切削的有限元模型,并用该模型仿真研究了切削参数对KDP晶体表面形成过程的影响。结果表明,在刀具前角为-40°左右时,工件表面质量可达到最佳值。研究还发现,当刀具刃口半径为80nm时,其能够产生切屑的最小切削厚度在10nm-30nm之间,此时法向切削力与主切削力之比为0.96,该结论对KDP晶体超光滑表面的获取有着重要指导意义。     

Study on characteristic parameters influencing laser-induced damage threshold of KH(2)PO(4) crystal surface machined by single point diamond turning

It has fundamental meaning to find the elements influencing the laser-induced damage threshold (LIDT) of KH(2)PO(4) (KDP) crystal and to provide suitable characterization parameters for these factors in order to improve the LIDT of KDP. Using single-point diamond turning (SPDT) to process the KDP crystal, the machined surface quality has important effects on its LIDT. However, there are still not suitable characteristic parameters of surface quality of KDP to correspond with the LIDT nowadays. In this paper, guided by the Fourier model theory, we study deeply the relationship between the relevant characteristic parameters of surface topography of KDP crystal and the experimental LIDT. Research results indicate that the waviness rather than the roughness is the leading topography element on the KDP surface machined by the SPDT method when the LIDT is considered and the amplitude of micro-waviness has greater influence on the light intensity inside the KDP crystal within the scope of dangerous frequencies between (180?μm)(-1) and (90?μm)(-1); with suitable testing equipment, the characteristic parameters of waviness amplitude, such as the arithmetical mean deviation of three-dimensional profile S(a) or root mean square deviation of three-dimensional contour S(q), are able to be considered as suitable parameters to reflect the optical quality of the machined surface in order to judge approximately the LIDT of the KDP surface and guide the machining course.     

阴离子掺杂对KDP晶体光散射的影响

选用硫酸钾、硝酸钾和氯化钾作为掺杂剂, 采用传统降温法和“点籽晶”快速法生长了磷酸二氢钾(KDP)晶体, 利用超显微法对KDP晶体中的散射颗粒进行了观察, 研究了SO₄^2- 、NO ₃^- 和Cl ^- 三种阴离子掺杂对晶体中光散射的影响. 结果表明, 掺杂后SO₄^2-造成晶体光散射的轻度增加; 而NO ₃ ^-和Cl ^- 离子掺杂后, 对于传统降温法所得晶体, 散射明显加重, 对于“点籽晶”快速法所得晶体的散射影响不大.     

KDP晶体面形控制夹持方案的分析及优化

本文提出了一种能较大程度优化大口径晶体面形的夹持方案,同时分析对比了优化方案与常规方案下重力作用对 KDP晶体面形和三倍频转换效率的影响。研究结果表明：优化方案能极大的改善重力对 KDP晶体面形的影响;同时当基频光光强为 5.5 GW/cm2时,优化方案较之三种常规方案的三倍频转换效率分别提高了 6.2%、9.5%和 6.5%。     

Analysis of 1ω bulk laser damage in KDP

The influence of laser parameters on laser-induced damage in the bulk of KDP is difficult to determine because the damage manifests as discrete sites a few micrometers in diameter distributed throughout a relatively large volume of material. Here, we present a method to directly measure the size and location of many thousands of such sites and correlate them to the laser conditions that produced them. This technique is used to characterize the effects of pulse duration on damage initiated by 1053?nm light in the bulk of KDP crystals. We find that the density of damage sites produced by 1053?nm light is less sensitive to pulse duration than was previously reported for 526?nm and 351?nm light. In addition, the effect of pulse duration on the size of the damage sites produced appears insensitive to wavelength.     

Characterization of the influence of polarization orientation on bulk damage in KDP crystals at different wavelengths

The investigation of polarization orientation on damage performance of type I doubler KDP crystals under different wavelengths pulses irradiation is presented in this work. Pinpoints densities (PPD) and the size distribution of pinpoints are extracted through light scattering pictures captured by microscope. The obtained results indicate that the measured PPD as a function of the fluence is both wavelength and polarization dependent, although neither fluence nor polarization have impact on the size distribution of pinpoints. We also find that the damage performances can separate into three groups depending on the wavelength, which suggests the existence of different categories of precursors and different mechanisms responsible for bulk damage initiation in SHG KDP crystals.     

基于误差反馈的LED阵列近场光强检测

发光二极管(LED)在机场、铁路等领域作为信号光源,通常采用多个LED组成阵列的方式。传统方法为拆卸后送入实验室中进行检测,此时无法获得光源在工作现场的状态且使得整个检测周期较长,针对上述问题提出一种基于照度误差的方法。在现场的近场区域内移动照度探头采集照度数据;再对各LED预设光强分布,计算此光强分布下在各测量点形成的照度与利用照度探头实际测量得到的照度的误差并根据此误差来更新设置的光强值,多次迭代至误差足够小;最后将此时计算得到的每个LED的近似光强分布进行叠加用于计算整个LED阵列的光强分布。通过该方法可以在现场快速准确检测灯具光强分布的同时,保障整个检测系统的设计能够便携。通过实验验证,所提方法在不同情况下能够完成光强检测,匹配度达到93%以上。     

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晶体光学均匀性检测实验研究

本文阐述了正交偏振干涉测量技术的基本原理和实验方法.Fizeau干涉仪的输出激光束经过线偏振镜后变为线偏振光,调整偏振方向让光束的偏振态分别平行于KDP晶体的o轴和e轴,得到两幅干涉图.通过这两幅干涉图的差值得到晶体的折射率分布不均匀性.该检测技术借助可改变输出激光偏振态的大口径干涉仪精确地测量晶体在切割方向上.光折射率和e光折射率的偏差.本文所采取的方法是在大口径干涉仪的小端口放入可改变偏振方向的线偏光镜.本文通过对一批330mm×330mm的大口径KDP晶体的折射率均匀性测量验证了该方法.