高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備

賴 敏

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室 天津300072)

高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備

賴 敏

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室 天津300072)

發(fā)展高端激光制造技術(shù)與裝備可促進我國傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。由天津大學(xué)牽頭的國家重點研發(fā)項目“高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備”針對性能優(yōu)良的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體生長工藝與集成裝備，及硬脆激光晶體的高效低損傷超精密磨削、拋光工藝與裝備等研發(fā)難題，開展晶體生長、加工工藝和裝備的重大共性關(guān)鍵技術(shù)研究。項目預(yù)期發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際先進水平的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體的生長工藝及裝備、加工工藝及裝備。研制出的高精度大徑厚比倍半氧化物激光晶體元件為高功率先進激光器提供核心元件，將會在增材制造、激光制造、信息產(chǎn)業(yè)等國家需求的重點領(lǐng)域開拓戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)。

激光制造 倍半氧化物晶體 高熔點 晶體生長 硬脆材料 超精密加工 表面完整性 高端裝備

0 引 言

由天津市科學(xué)技術(shù)委員會推薦，天津大學(xué)作為項目牽頭單位，聯(lián)合山東大學(xué)、同濟大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)等10家相關(guān)高校、研究院和企業(yè)聯(lián)合申報的“高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備”項目獲得科技部國家重點研發(fā)計劃項目立項。

激光器作為激光制造及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的核心器件，越來越廣泛地應(yīng)用于制造、精密測量、科學(xué)探測、通訊與信息處理、醫(yī)療等各領(lǐng)域。發(fā)展高端激光制造技術(shù)與裝備可促進我國傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，為我國高端制造業(yè)的發(fā)展提供必要的支撐。目前，我國的高端激光制造裝備與國外相比還有差距，研制光學(xué)性能優(yōu)良的新型激光介質(zhì)，突破激光晶體高效低損傷加工難題，獲得高性能激光器核心功能部件激光晶體元件，對推進我國激光制造業(yè)的發(fā)展，打破發(fā)達國家技術(shù)壁壘具有重大意義。以氧化镥為代表的倍半氧化物晶體因具有低聲子能量、高熱導(dǎo)率、高損傷閾值、高量子效率等優(yōu)勢，是優(yōu)質(zhì)激光晶體的理想選擇之一，可為不同波段高功率先進激光器的開發(fā)提供理想的工作介質(zhì)。然而，該類晶體生長熔點高達2,400,℃，晶體生長條件要求苛刻，設(shè)備要求極高。目前，國際上還沒有可生長高熔點(＞2,400,℃)倍半氧化物激光晶體的商品化單晶爐，也尚未獲得該類大口徑晶體的成熟生長工藝。為滿足高性能激光晶體元件的使用要求，需加工出超光滑、低損傷以及高面形精度的晶體表面，而作為一種新型的激光晶體材料，目前尚未見關(guān)于其超精密加工技術(shù)的研究。該類晶體具有硬脆特性，在加工過程中極易出現(xiàn)劃凹坑、破碎、微裂紋等多種損傷，影響其激光性能，其大徑厚比光學(xué)元件的超精密加工存在著巨大挑戰(zhàn)。

1 創(chuàng)新性工作及研發(fā)團隊

該項目針對性能優(yōu)良的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體生長工藝與集成裝備，及硬脆激光晶體的高效低損傷超精密磨削、拋光工藝與裝備的研發(fā)難題，開展晶體生長、加工工藝和裝備的重大共性關(guān)鍵技術(shù)研究，主要研究目標(biāo)包括：研發(fā)高熔點(＞2,400,℃)倍半氧化物晶體生長工藝和裝備，生長高質(zhì)量激光晶體；建立倍半氧化物晶體加工損傷形成演變理論，探索低損傷超光滑表面的加工新方法；研發(fā)超精密磨削、拋光裝備和集成工藝，實現(xiàn)高表面完整性激光晶體元件加工。

項目團隊對高熔點倍半氧化物晶體生長方法及工藝開展了長期系統(tǒng)的研究，可突破晶體生長高熔點和低溫梯瓶頸，將晶體熔體法生長極限溫度從目前的2,000,℃提高至2,400,℃。提出PaE倍半氧化物晶體加工新方法，結(jié)合表面改性和刻蝕等理化結(jié)合實現(xiàn)晶體材料的高精度、低損傷、超光滑表面的加工，為倍半氧化物晶體元件高效加工提供有效途徑。針對高精度激光晶體元件加工監(jiān)測的需要，項目組開展高分辨率表面/亞表面綜合參數(shù)原位測量方法研究，實現(xiàn)加工過程晶體表面幾何參數(shù)和加工損傷綜合參數(shù)的在線檢測和工藝水平的指導(dǎo)。基于晶體元件特點，項目組提出采用固結(jié)磨料雙面拋光與化學(xué)機械拋光相結(jié)合的超精密加工工藝以及高表面質(zhì)量和高幾何精度的在位協(xié)調(diào)控制方法。

該項目參與單位包括天津大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器國家重點實驗室、山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室、同濟大學(xué)先進微結(jié)構(gòu)材料教育部重點實驗室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室、大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室、天津市微納制造技術(shù)工程中心等國內(nèi)激光晶體生長、超精密加工以及相關(guān)裝備研發(fā)的優(yōu)勢力量。項目團隊現(xiàn)有973首席1人、長江學(xué)者2人、國家千人1人、國家杰青2人及國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新團隊2個。團隊具有豐富的晶體生長、光學(xué)晶體加工工藝及裝備的研發(fā)經(jīng)驗，先后開展了藍寶石、YAG、GGG、KDP等晶體的生長及超精密磨拋加工理論和技術(shù)研究。

2 前景展望

通過該項目的實施，預(yù)期解決制約我國超高溫倍半氧化物激光晶體研制中生長工藝、加工工藝及裝備等瓶頸問題，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際先進水平的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體的生長工藝及裝備、加工工藝及裝備，填補國內(nèi)空白，使我國激光晶體生長和加工的局部優(yōu)勢延伸和擴展。同時，突破發(fā)達國家在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)壁壘，增強了我國制造用激光器領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，確保我國在增材制造及激光制造領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，為具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)和特色的全固態(tài)激光技術(shù)開拓提供堅實的基礎(chǔ)。項目預(yù)期培養(yǎng)一批中青年優(yōu)秀學(xué)術(shù)骨干，研究領(lǐng)域涵蓋晶體生長、加工工藝及裝備制造技術(shù)。該項目研制出的高精度大徑厚比倍半氧化物激光晶體元件，為高功率先進激光器提供核心元件，將會在增材制造、激光制造、信息產(chǎn)業(yè)等國家需求的重點領(lǐng)域開拓戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)。■

［1］ 科技部. “增材制造與激光制造”重點專項2016年度項目申報指南[Z]. 國科發(fā)資〔2016〕69號.

［2］ 王霄，王東生，高雪松，等. 輕合金構(gòu)件激光增材制造研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 應(yīng)用激光，2016(4)：478-483.

［3］ 何博文，喆冉先，田象軍，等. 激光增材制造TC11鈦合金的耐蝕性研究[J]. 中國激光，2016(4)：75-81.

The Technology and Equipment of Fabrication and Manufacture of High Performance Sesquioxides Crystals

LAI Min
(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology & Instruments，Centre of MicroNano Manufacturing Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Developing high-end laser manufacturing technology and equipment can promote the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry．The national key research and development program on the technology and equipment of the fabrication and manufacture of high performance sesquioxides crystals has been recently approved．Tianjin University takes the leadership in this national program．Aiming at the research and development of growth technology and relevant equipment of sesquioxides crystals with a large size and high melting point，as well as high-efficiency and low-damage ultra-precision grinding，polishing technology and equipment of the laser crystal that is hard and brittle，this project will carry out the research on key technology of crystal growth，processing technology and equipment．The implementation of this project is expected to develop growth，processing techniques and relevant equipment of producing sesquioxides crystals with a large size and high melting point．The sesquioxides laser crystal elements with high-precision and large radiusthickness can serve as the core element for advanced high-power lasers，which will open up emerging industries in areas like additive manufacturing，laser manufacturing and information technology.

laser manufacturing；sesquioxides crystals；high melting point；crystal growth；hard-brittle material；ultraprecision machining；surface integrity；high-end equipment

TH16

：A

：1006-8945(2016)12-0023-02

國家重點研發(fā)計劃(批準(zhǔn)號：2016YFB1102200)資助項目。

2016-11-04