KDP晶體激光分離切割機理及關鍵技術研究.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關唯一可使用的大尺寸晶體。然而質軟、脆性高、對溫度和應力變化敏感、易開裂和潮解等特性，使KDP被公認為是一種極難加工的材料。目前，國內外的研究大量集中在KDP晶體的超精密拋光方面，而關于KDP晶體的切割卻鮮有報道。目前KDP晶體的切割仍采用傳統(tǒng)帶鋸或金剛石線鋸機械切割方式，不但效率低下，加工安全性也很差，經常發(fā)生毀滅性的碎裂。本文針對目前存在的技術難點和挑戰(zhàn)，從激

2、光誘導拉應力分離入手，在國內外首次提出了 KDP晶體激光分離切割創(chuàng)新技術，為晶體器件的制造提供了一條全新的技術途徑。
　　本論文利用 KDP晶體抗壓強度高（113Mpa）而抗拉強度極低（僅為5~8Mpa）這一特性以及透明材料對激光呈體吸收效應，將超快激光“冷”加工技術和傳統(tǒng)激光的“熱”加工技術有機結合，提出了KDP晶體雙激光束分離切割技術和KDP晶體鏡面無損激光分離技術。該技術的基本原理是利用超快激光對KDP晶體進行預處理，實現晶

3、體光吸收率和分子結合力的人工調控，再使用連續(xù)激光束在晶體內誘導拉應力或微區(qū)拉應力實現晶體沿預處理線分離切割。因此本論文研究工作及成果主要包括以下幾個方面：
　　(1)通過光線追跡和波動光學理論，建立了聚焦激光在KDP晶體內的傳輸模型。模擬分析了不同參數的激光聚焦進不同取向的 KDP晶體后的傳輸、聚焦、雙折射離焦和光斑畸變特性。結果表明晶體雙折射效應會嚴重影響E光的傳輸特性，并推導出了晶體內部產生的三維動態(tài)光強分布函數。
　　

4、(2)研究了超快激光與KDP晶體的相互作用過程，結果表明峰值功率較低時可實現晶體內吸收率和分子結合力的三維調控；而峰值功率較高時可實現微裂紋的預制。研究了傳統(tǒng)連續(xù)/長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（或無損鏡面分離）的相互作用機理、機制和加工光學系統(tǒng)原型。
　　(3)基于加工光學系統(tǒng)和光強分布函數，建立了晶體內激光誘導動態(tài)溫度場和熱應力場分布數學模型，揭示了 KDP晶體激光分離切割機理和過程。表明分離機理為

5、激光誘導的Y方向拉應力或微區(qū)拉應力。同時進行了數值模擬研究，確定了關鍵激光分離切割參數和最優(yōu)工藝區(qū)間，探明了分離切割過程中的潛在不利因素，以進一步提高分離切割過程的可靠性和穩(wěn)定性。
　　(4)基于數值模擬和理論分析研究結果，建立了KDP晶體激光分離和無損鏡面分離系統(tǒng)。采用雙激光束分離技術實現了KDP晶體相對粗糙度僅為2.684μm，局部粗糙度低于500nm的分離切割，其分離速度為機械切割的20余倍。采用激光無損鏡面分離技術實現了K