KDP晶体表层初始微缺陷对其微铣削修复质量的影响研究.pdfVIP

摘要

在极高功率激光服役条件下，KHPO（KDP）晶体飞切加工表面缺陷会诱发

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激光损伤，降低其光学性能。利用球头铣刀对缺陷进行去除，则是延长KDP晶体

元件使用寿命最有效的方法。然而，由于KDP晶体具有显著的各向异性，且初始

缺陷会影响修复过程的未变形切削厚度，因此这为实现全塑性域微铣削修复，以

获得超光滑加工表面带来巨大挑战。本文以KDP晶体初始表面微缺陷为研究对象，

建立了考虑各向异性的KDP晶体缺陷表面微铣削加工过程三维仿真模型及其最大

未变形切削厚度模型、球头微铣削切削比能模型，开展了缺陷种类、特征尺寸对

球头铣削材料去除机理的影响研究，探究了缺陷对微铣削修复过程的影响并对修

复后抗激光损伤能力进行了评价。

结合纳米压痕实验、弹塑性力学和断裂力学理论，建立了考虑KDP晶体各向

异性力学性能的微铣削加工过程三维仿真模型。模拟了KDP晶体初始缺陷对切削

力和表面形貌的影响，并结合微铣削实验，验证了仿真模型。同时，建立了考虑

缺陷尺寸的球头微铣削最大未变形切削厚度模型和切削比能模型，为研究缺陷对

微铣削修复质量的影响提供理论基础。

从未变形切削厚度、切削力、加工表面形貌以及切削比能等方面，研究了KDP

晶体表层初始缺陷种类、尺寸对球头微铣削加工过程材料去除机理的影响。开展

了KDP晶体表层初始缺陷的微铣削验证实验，探究了初始缺陷对微铣削加工表面

质量的影响，发现了缺陷可以改变KDP晶体微铣削表面的未变形切削厚度，从而

导致切削模式的转变和尺寸效应的演变。

探究了不同铣削方式下初始缺陷对材料去除模式的影响，验证了缺陷对微铣

削修复过程的影响。为了充分表征其修复质量，基于光致荧光检测技术，分析了

表面缺陷和KDP晶体微铣削修复表面的稳态荧光特性。结合激光损伤阈值和荧光

光谱，研究了缺陷对晶体元件修复后抗激光损伤能力的影响，并对KDP晶体表面

缺陷的微铣削修复质量进行了综合评价。

通过本文的研究成果，可为根据微缺陷种类和尺寸制定大口径KDP晶体的修

复策略及工艺提供理论基础，以避免严重的尺寸效应和脆性切削，这对建立KDP

晶体表面缺陷的最优修复策略和修复质量评价方法具有重要工程应用价值。

关键词：KDP晶体；表面缺陷；微铣削修复；材料去除机理；抗激光损伤能力

Abstract

Thedefectsonthefly-cutsurfacecaninducelaserdamageandreducetheiroptical

propertiesforKHPO(KDP)crystalswhenservingintheextremelyhigh-powerlaser

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systems.Usingtheball-endmilltoremovethedefectsisthemosteffectivemethodto

prolongtheservicelifeofKDPcrystals.However,duetothesignificantanisotropyof

KDPcrystalsandtheinfluenceofpre-existingdefectsontheuncutchipthickness(UCT)

duringthemicro-millingrepairingprocess,itisagreatchallengetoremovethedefects

intheductilemodecuttingtoobtainultra-smoothsurfaces.Inthiswork,pre-existing

micro-defectsontheKDPcrystalsurfacearetakenastheresearchobject.A

three-dimensional(3D)simulationmodelofmicro-milling