[发明专利]一种KDP晶体表面微纳纹理的无损伤数控水溶解抛光去除方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种KDP晶体表面微纳纹理的无损伤数控水溶解抛光去除方法，属于超精密抛光方法。

背景技术

磷酸二氢钾晶体（KDP）是一种优质的非线性电光晶体材料，在惯性约束核聚变（ICF）技术中，被广泛用作电光开关和倍频转换元件。ICF工程中需要大量大尺寸、超高质量的KDP晶体元件，对KDP晶体的加工提出了极高要求。然而，由于KDP晶体具有软脆，可溶于水，强各向异性等特点，是典型的难加工特点，加工出满足ICF工程要求的高表面质量，大口径（410mm×410mm×10mm）KDP元件难度极大。目前，单点金刚石飞切（SPDT）是最主要的一种KDP晶体的超精密加工手段，飞切后样件具有较好的表面精度和表面完整性。然而，SPDT加工过程中，金刚石刀具刀尖旋转同时晶体元件径向进给，由于进给节距的存在，会导致飞切后的KDP晶体表面存在小尺度波纹，严重影响了晶体元件的光学性能，尤其会降低晶体的激光损伤阈值。同时，机械加工必然会产生亚表面损伤，飞切后KDP晶体样件的损伤深度根据切削参数的变化，为几十纳米至几微米。亚表面损伤层对晶体元件的光学性能进一步产生不良影响影响。飞切刀纹呈波浪形，尺度极小，其幅值仅为十余nm至数十纳米，很难去除。如何在不引入其他损伤的前提下完全去除飞切刀纹，是亟待解决的难题之一。

在以往针对KDP晶体超精密光学元件超精密加工方法的专利技术中，有一些不同类型的例子：

专利名称“一种用于软脆易潮解晶体的非水基无磨料抛光液”，专利号ZL200910010268.2，是一种适用于软脆易潮解材料抛光加工的非水基无磨料抛光液，仅给出了抛光需要的抛光液，并未提及针对大尺寸规格KDP晶体元件的加工工艺方法，此专利提及的抛光液在本发明中用作抛光介质；专利名称“基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法”，专利号ZL201210111555.4，使用超声水雾与压缩空气按比例混合为洁净水雾气体，以洁净水雾气体作为抛光媒介对KDP晶体进行加工，与本专利提到的加工方法有着明显区别。

发明内容

为实现无损伤去除单点金刚石飞切后KDP晶体表面残余的微纳刀纹，提高KDP元件质量，本发明提供一种KDP晶体表面微纳纹理的无损伤数控水溶解抛光去除方法，解决KDP晶体元件加工中的工艺难题。

本发明采用的技术方案是：一种KDP晶体表面微纳纹理的无损伤数控水溶解抛光去除方法，该方法采用以下步骤：

步骤一：利用KDP晶体溶于水这一特性，选用含水油基微乳液作为抛光液，抛光液中水含量依据材料粗精抛光质量和去除速率要求不同，控制在3-30%范围内；

步骤二：使用面积小于被加工KDP晶体的小尺寸圆形抛光工具，抛光头下部粘有低硬度的聚氨酯抛光垫；

步骤三：抛光头相对被抛光KDP晶体做行星运动，自转的同时以一定偏心距公转；抛光液通过在抛光头中心开加注孔直接注入抛光区域或者在抛光头外侧浇注加入抛光区域；抛光头接触晶体表面，进行加工，抛光压力10-100kPa；

步骤四：使用干涉仪检测待抛光KDP工件，得到抛光前的初始面形分布M(x,y)，作为目标去除矩阵；

步骤五：通过下列步骤实验确定去除函数：抛光头行星运动的公转中心固定不动，即抛光头绕某一固定点做行星运动，在一块实验样件表面抛光10-30分钟后，使用干涉仪测量得到抛后去除区域形貌，再减去提前测得的实验晶体初始形貌，得到抛光区域的去除量分布，记为矩阵RA(x,y)，再除以加工时间，即得到在单位时间内一个公转区域内的去除量分布，记为去除函数RAR(x,y)，在之后的运算中作为一个抛光单元；抛光头面积与被抛光KDP晶体面积比为1:5-10；

步骤六：在被抛光KDP晶体表面预设抛光轨迹，采用的抛光轨迹为栅格形轨迹、倾斜45度角的栅格轨迹、螺线形轨迹或Hilbert曲线轨迹中的一种；根据选用的抛光轨迹，在被抛光KDP晶体表面上划分驻留点网格，抛光轨迹经过各驻留点；抛光头行星运动公转中心在各驻留点的驻留时间为D(x,y)，依据方程M(x,y)=RAR(x,y)?D(x,y)，求得抛光轨迹上各点驻留时间分布D(x,y)，并根据运算结果生成数控加工程序，控制抛光头行星运动公转中心在被抛光KDP晶体表面沿预设抛光轨迹运动的同时，抛光头行星运动公转中心在轨迹上各点的驻留时间满足D(x,y)，直至覆盖整个待加工表面，实现被抛光KDP晶体面形精度的提高；