KDP晶體雷射無損鏡面加工機理及關鍵技術研究

《KDP晶體雷射無損鏡面加工機理及關鍵技術研究》是依託華中科技大學，由段軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：KDP晶體雷射無損鏡面加工機理及關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：段軍
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

KDP晶體坯件的切割和超精密拋光加工一直是困擾我國完成ICF裝置的關鍵問題之一。本項目首次提出KDP晶體雷射無損鏡面加工，將超快雷射的冷加工效應和常規雷射的熱加工效應有機相結合，誘導微區應力線斷裂原子或分子鍵，實現一次完成晶體分離和超精加工的一種創新技術。利用超快雷射在KDP晶體近表層誘導相變、預製亞微米改性線和常規雷射體吸收加熱效應，在改性區形成納米裂紋。通過研究裂縫和裂縫尖端的光傳輸、吸收特性和動態溫度、應力場分布模型，探討微區拉應力形成機理和應力斷裂化學鍵理論以及微納米裂紋擴展原理，得出一套完整的微區瞬間熱應力斷裂化學鍵理論。研發相應的雷射壓束整形光學系統，在切縫尖端形成特定的光場和溫度場分布，誘導微納裂紋的擴展，掌握其擴展方向控制的關鍵技術。對雷射無損加工KDP晶體過程進行數值模擬，計算最優加工技術參數，同時進行實驗最佳化研究，獲得一套完整的KDP晶體無損鏡面加工理論技術。

結題摘要

由於雷射慣性約束核聚變（ICF）成為未來最有前途的新能源技術之一，因而備受到了世界各國的廣泛關注。大口徑磷酸二氫鉀光學單晶體(KDP)製成的倍頻器和普克爾斯盒是 ICF 裝置中其關鍵器件。我國已經成功地生長出了 ICF所需的 KDP 光學晶體坯件，但晶體坯件切割和超精密拋光加工的成功率和效率一直是阻礙我國“神光計畫”項目的關鍵問題之一。由於西方已開發國家對我國進行技術封鎖和禁運，因而本項目提出了具有自主智慧財產權的KDP晶體雷射無損鏡面加工技術，將超快雷射的冷加工效應和常規雷射的熱加工效應有機相結合，誘導微區應力線斷裂原子或分子鍵，實現一次完成晶體分離和超精加工的一種創新技術。通過研究超快雷射在KDP晶體近表層誘導相變、預製亞微米改性線；研究裂縫和裂縫尖端的光傳輸、吸收特性和動態溫度、應力場分布模型；探討微區拉應力形成機理和應力斷裂化學鍵理論以及微納米裂紋擴展原理，得出一套完整的微區瞬間熱應力斷裂化學鍵理論。通過研發相應的雷射壓束整形光學系統，掌握切縫尖端形成誘導微納裂紋擴展方向控制的關鍵技術，並對雷射無損加工KDP晶體過程進行數值模擬和實驗最佳化研究，獲得一套完整的KDP晶體無損鏡面加工理論技術。利用該理論技術實現了成品KDP晶體（厚度 20mm）的拋光級無損快速分離套用。相應的分離速度可高達2mm/s，約為傳統機械分離技術的300-400餘倍，分離側壁粗糙度可達4.7nm（p-v）和2.1nm（RMS），分離側壁的平面度可達5.433μm，分離角精度可達0.06°，均遠遠高於傳統機械分離方法。同時，利用該技術可從晶體母材上直接分離出厚度小於1.5mm的無損鏡面機晶體薄片。該項目共獲得中國發明專利5項、實用新型專利5項，發表論文11篇（其中頂級SCI期刊4篇、SCI論文4篇，中國核心期刊3篇），國際會議報告3篇，正在審稿SCI論文1篇，正在撰寫SCI論文1篇，國際榮譽一項，已經超額完成本項目預期任務指標。由本團隊在國內外首次提出的KDP晶體無損鏡面加工機理及關鍵技術具備極強的實際套用價值，並具有著重要的指導意義。