大口径KDP光学晶体元件逐点可控微纳潮解抛光新原理与新技术

磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氘钾（DKDP）软脆晶体是目前唯一可用于惯性约束核聚变(ICF) 、强激光武器激光倍频和光电开关器件的优质非线性光学材料，但其各向异性、软脆、易潮解、对温度变化敏感等特点，以及超光滑、高面形精度和高激光损伤阈值要求，使其成为极难加工材料，特别是制成大口径光学晶体元件对超光滑无损伤高面形精度的苛刻要求，使其超精密加工面临重大挑战。本项目以大口径KDP晶体为对象，探索无磨料微纳潮解抛光新原理和基于超声雾化微水汽的KDP晶体微纳潮解洁净抛光新方法，揭示抛光介质与抛光工具的物理化学-机械协同作用和超光滑表面形成机理；建立材料微纳去除速率数学模型和逐点可控抛光驻留函数，研究其逐点可控抛光新技术；进行大口径KDP晶体原理样件加工试验与激光损伤阈值检测分析，提出表面光顺工艺策略，给出微纳潮解抛光工艺规范。研究成果对于加速我国惯性约束核聚变技术发展具有重要的现实意义和学术价值。

磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氘钾（DKDP）软脆晶体是用于惯性约束核聚变(ICF)和光电开关器件的优质非线性光学材料，但其各向异性、软脆、易潮解、对温度变化敏感等特点，以及超光滑、高面形精度和高激光损伤阈值要求，极难加工，特别是制成大口径光学晶体元件对超光滑无损伤高面形精度的苛刻要求，现有的超精密飞切加工技术存在的刀纹缺陷和亚表面机械损伤难以消减，使其超精密加工面临重大挑战。本项目以大口径KDP晶体为对象，在对KDP晶体力学、潮解特性进行大量研究的基础上，将水这一传统KDP加工中的不利因素作为材料去除的原动力，创新提出了能够快速去除材料的基于超声雾化微水汽和磷酸二氢钾水溶液的KDP晶体微纳潮解超精密抛光新原理和新方法，揭示了微纳潮解超精密抛光KDP晶体材料去除机理、抛光介质与抛光工具的物理化学-机械协同作用和超光滑表面形成机制；结合大口径光学元件计算机控制光学表面成形（CCOS）技术，提出了逐点可控无磨料微纳潮解超精密抛光工艺方法；基于Preston方程建立了材料微纳潮解去除速率数学模型和逐点可控抛光驻留时间函数，揭示了抛光速度、压力、含水量等加工条件对材料去除的影响规律；构建了符合大尺寸KDP元件真空吸附装夹要求的CCOS超精密抛光试验台，给出了优化的微纳潮解抛光工艺规程；提出了针对大尺寸光学元件的自动、环保、高效的清洗工艺规程；进行了大尺寸KDP晶体样件逐点可控微纳潮解修形抛光加工试验，面形精度与加工质量得到显著提升；通过开展激光损伤阈值检测，证实了无磨料微纳潮解超精密抛光方法对提高KDP晶体元件阈值具有改善作用。在上述研究工作基础上，针对国家重大工程需求，应用逐点可控微纳潮解超精密抛光方法去除了超精密单点金刚石飞切后表面的小尺度刀纹，飞切样件表面粗糙度降低50%-70%，波纹幅值由30-40nm降为5-10nm，通过了中物院0902子课题验收。研究成果对于提高可溶解难加工材料的超精密加工水平，加速我国相关技术发展具有重要的科学意义和现实的工程应用价值。