KDP逐点可控微纳溶解拋光理论仿真及试验研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sally2006
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具有优良电光非线性特性的KDP晶体,在大功率激光器中具有不可替代的作用。然而鉴于KDP晶体软脆、各向异性、极易潮解、温度敏感等特性,同时工程应用上对其极高精度((?)/6PV,≤5nm RMS)和使役性能(损伤阈值≥15J/cm2)的要求,对于KDP晶体特别是大尺寸表面的超精密加工一直是一项国际性的科研难题。对此,基于KDP晶体极易潮解这一特性,提出了逐点可控微纳溶解抛光新工艺。重点对KDP晶体微纳溶解抛光材料去除基础理论进行深入的研究探讨,并结合光学表面成形领域较为成熟的CCOS技术构建KDP晶体逐点可控微纳溶解抛光的去除函数,进行驻留时间的优化求解以及进一步的试验研究,对于大、中尺寸KDP晶体的超精密光学表面成形具有重要的理论指导意义和实践推动价值。首先,结合KDP晶体专用抛光液的结构和微纳溶解抛光界面处的润滑特性、材料去除可控机理及组成因素,基于两个粗糙表面的接触理论建立了KDP晶体微纳溶解抛光材料去除模型并进行了试验验证,结果表明,模型最大偏差不超过20%。在此模型的基础上提出了修正的Preston方程并指出了常规抛光工艺对KDP晶体面形的恶化现象。其次,鉴于KDP晶体逐点可控微纳溶解抛光与常规抛光工艺加工条件存在较大的差异,对KDP晶体逐点可控微纳溶解抛光界面处的摩擦特性进行了试验分析,通过与经典Stribeck曲线的对比表明界面处的润滑状态为边界润滑。采用干抛试验和以无水乙醇作为抛光液的抛光试验确证了材料去除几乎完全由机械与溶解的交互作用引起,即基于修正的Preston方程,结合抛光头的运动方式构建用于KDP晶体逐点可控微纳溶解抛光的去除函数是可行的,并通过大量试验对各参数下的去除函数进行理论与试验结果对比,得到了使去除函数均一性和稳定性都较好的可行参数范围。最后,基于最小加工残差目标函数和驻留时间的非负最小二乘优化求解算法编制了KDP晶体逐点可控微纳溶解抛光工艺软件系统,并以单点金刚石车削后具有不同面形误差形态的KDP晶体表面作为初始表面进行了模拟计算。对初始面形为17.480μm PV,2728.064nm RMS,局部粗糙度为188.092nm Ra的KDP晶体表面进行逐点可控微纳溶解抛光初步试验,迭代加工逐次收敛,数次迭代后的面形即收敛到5.989μmPV,546.788nmRMS,局部粗糙度为34.885nm Ra。通过光顺加工,局部粗糙度降低到了19.204nm Ra。
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