KDP晶体低能离子束低/无损加工机理及关键工艺研究

Potassium Dihydrogen Phosphate(KDP) crystal is an excellent nonlinear optical material and it is the unique material used for high energy laser weapon and Inertial Confinement Fusion (ICF) system. However, high-precision fabrication of KDP crystal has meet a huge challenge because of its particular material characters of anisotropy, softness and easy deliquescence, et al. Besides, high surface quality requirements of high precision, super-smooth and high laser induced damage threshold are also the extremely important reason. In this project, research of ion beam finishing (IBF) for KDP crystal aimed for super-smooth, low damage and high-precision has been proposed based on its process characteristics of high precision and damage free. The mechanism of stable polish will be announced by establishing the model of heat quantity deposition on the work surface and temperature gradient based on the mechanics of material removal and energy transmission firstly. The best mechanism of balance will be also found through the analysis and control of polishing disturbed layers while ion beam figuring is affecting on KDP crystal surface. The operational performance of KDP crystal will be improved through this research on optimization of machining process which has included ion beam figuring technology. We believe that it will meet the practical requirements of ICF system in our country more rapidly through this innovation process. It can also be an innovation method for other soft and brittle functional crystals.

KDP晶体光学性能优异，是惯性约束核聚变、强激光武器等系统中不可替代的非线性光学功能材料。但各向异性、软脆、易潮解、对温度变化敏感的材料特性，以及使用时所需满足的高精度、超光滑与高阈值表面质量要求，给其超精密加工提出了重大挑战。项目基于离子束抛光高精和低/无损加工的先天优势，创新提出将此技术应用于KDP晶体的加工，通过研究KDP晶体离子束动态抛光过程中的能量沉积与温度、应力分布规律，揭示KDP晶体低能离子束的稳定抛光机理。通过对KDP晶体离子束抛光扰动层的分析和控制，明确缺陷去除与扰动抑制的最佳平衡机制。通过开展离子束加工工艺优化，找出不同约束条件下离子束抛光与KDP晶体表面完整性的映射关系，提升KDP晶体的使用性能。通过创新工艺理论和方法，优化工艺流程，实现KDP晶体制造能力的进一步提升，为我国重大强激光工程的实施提供工艺理论和制造技术支持，也为其他软脆功能晶体超精密加工提供一种新方法。

KDP晶体是惯性约束核聚变、强激光武器等系统中不可替代的非线性光学功能材料，但其各向异性、软脆、易潮解、对温度变化敏感的材料特性，以及使用时所需满足的高精度、超光滑与高阈值表面质量要求，使其成为超精密加工领域的热点和难点问题。项目基于离子束抛光高精度和低/无损加工的先天优势，开展KDP晶体低能离子束的稳定抛光机理和工艺优化研究。研究内容主要包括：探索KDP晶体离子束动态抛光过程中的能量沉积与温度、应力分布规律，在实现材料稳定去除的同时控制加工热应力，确定了实现KDP晶体离子束稳定加工的参数边界；对离子束抛光KDP晶体的扰动层进行分析和控制，建立了扰动参数与激光损伤阈值的定量联系，找到了抑制诱导晶体表面物理性质变化的控制方法；将离子束应用于KDP晶体加工工艺路线，实现了精度和阈值的提升。通过研究，本项目在100mm×100mm 口径 KDP 晶体试样上达到了如下指标：透射波前PV值λ/16，误差梯度8.2nm/cm，PSD1 RMS 4.6nm，PSD2 RMS 1.155nm，表面粗糙度0.972nm，激光损伤阈值17.1J/cm2∙3ω，均满足了项目设立的研究目标。本项目的研究揭示了KDP晶体低能离子束的稳定抛光机理，明确了缺陷去除与扰动抑制的平衡机制，找出了不同约束条件下离子束抛光与KDP晶体表面完整性的映射关系，能够用于指导提升KDP晶体的使用性能。项目通过工艺理论和方法的创新，实现了KDP晶体制造能力的进一步提升，为我国重大强激光工程的实施提供了工艺理论和制造技术支持。