大口徑KDP晶體光學元件超精密飛切加工工藝與裝備

張飛虎，張強

哈爾濱工業大學 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

超精密加工技術是現代機械制造業最重要的發展方向之一，對先進技術和國防工業的發展具有重要意義。超精密加工工藝與裝備的研究是超精密加工技術的重要基礎。本文以高能激光系統中大口徑KDP晶體光學元件超精密飛切加工為目標，針對KDP晶體各向異性的力學特性，通過納米壓痕、劃痕試驗結合有限元仿真的方法，得到了KDP晶體不同晶面的力學性能參數，對KDP晶體加工過程中脆塑轉變各向異性的現象進行了研究。對KDP晶體飛切加工工藝進行優化，并研制了大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工專用設備，實現了KDP晶體元件的超精密加工，為國家重大科學工程提供了技術支撐。

2 KDP晶體材料的特點及應用

KDP（Potassinm Dihydengen Phosphate，KH2PO4）是一種優秀的非線性光學材料，不僅具有很強的光學非線性與很高的激光損傷閾值，而且易于生長出很大的單晶結構，因而被廣泛應用于激光和非線性光學領域。KDP晶體是高能激光器中現在唯一被采用的光學倍頻轉換器及電光開關元件。生長成形的KDP晶體以及加工完成的KDP晶體元件如圖1所示。

圖1 生長成形的KDP晶體以及加工完成的KDP晶體元件

由于KDP晶體具有硬度低、脆性大、易潮解，以及顯著的各向異性、對溫度變化敏感且容易開裂等特點，所以采用傳統的磨削、研磨及拋光等光學加工方法容易導致磨粒嵌入加工表面和表面潮解，而超精密車削加工則因晶體各向異性而導致加工表面質量不一致，因此只能采用大直徑飛刀盤的超精密單點金剛石飛切（Single Point Diamond Flycutting，SPDF）的方式，對其進行切削方向變化較小的超精密加工。由于高能激光系統的建造對大口徑KDP晶體光學元件的加工質量提出了極高的要求，再加上KDP晶體材料的特殊性能，所以大口徑KDP晶體元件被美國NIF認為是最難加工的激光光學元件。大口徑KDP晶體元件加工指標要求見表1。

表1 大口徑KDP晶體元件加工指標要求

美國早在20世紀80年代的NOVA固體激光器項目中，就對KDP晶體的特性與加工進行了大量的研究。采用單點金剛石刀具飛切的加工方式進行大口徑KDP晶體元件的加工，并從設備、刀具及工藝等多方面開展了相應的研究，研制了專用的超精密加工裝備。但是該項技術對我國實行嚴密的封鎖，我們必須立足國內，研制自己的大口徑KDP晶體超精密加工工藝和裝備。大口徑KDP晶體超精密飛切加工方式如圖2所示。

圖2 大口徑KDP晶體超精密飛切加工方式

3 大口徑KDP晶體超精密飛切加工工藝研究

KDP晶體是人工生長形成的單晶體，其和常見的各向同性的多晶材料相比，具有很強的各向異性特性。在高能激光系統實際使用中，沿不同方向對晶體切片，可以得到具有不同性能的光學元件。KDP晶體沿圖3所示不同用途的分割方向進行切片，可分別在光路中用作開關元件、二倍頻元件與三倍頻元件。相應地，KDP晶體在不同晶面甚至在同一晶面沿不同晶向切削時，因其不同方向具有不同的硬度與斷裂韌性，加工表面質量也會有比較大的差別。因此必須對KDP晶體不同晶面以及晶向的加工性能進行研究，才能有針對性地確定大口徑KDP晶體元件的超精密加工工藝。

圖3 KDP晶體按不同用途的分割方向

針對KDP晶體材料強烈的各向異性力學特性，運用彈塑性力學及斷裂力學基本理論，建立了適用于描述KDP晶體在彈性階段、塑性階段及脆性斷裂階段的變形行為的本構模型。在此基礎上，使用納米壓痕、納米劃痕技術結合有限元仿真的方法，對KDP晶體開關晶面、二倍頻晶面及三倍頻晶面的力學性能參數進行辨識，得到了考慮各向異性的KDP晶體力學本構模型及參數，為進行加工過程的仿真分析奠定了基礎。

因為KDP晶體屬于脆性材料，所以根據超精密加工的脆塑轉變理論，在切削層厚度較大時，被加工材料以脆性斷裂方式去除，加工表面質量差并且殘存亞表面裂紋。脆性去除加工表面如圖4a所示，由于達不到光學表面的要求，所以只有當切削層厚度小于某一臨界切削深度值時，脆性材料才可以塑性方式去除，能夠得到高質量的加工表面。塑性去除加工表面如圖4b所示。臨界切削深度值與材料的力學性能和加工工藝條件相關，臨界切削深度值越小，超精密切削加工難度越大，加工效率越低。

圖4 KDP晶體兩種不同的加工表面

在KDP晶體開關（001）晶面上，沿不同方向切削時KDP晶體脆塑轉變深度仿真結果如圖5所示。使用前角γ＝－45°的金剛石刀具，刀尖圓弧半徑為5mm。在沿0°方向切削時，當切削深度達到60nm時，最大拉應力超過該方向的斷裂應力，即臨界切削深度tc＝60nm；而當沿45°方向切削時，在切削深度達到150nm時，最大拉應力超過該方向的斷裂應力，即臨界切削深度tc＝150nm。由此可以看出，KDP晶體的各向異性對加工性能和工藝的影響是非常顯著的。

圖5 在KDP晶體開關（001）晶面上沿不同方向切削時KDP晶體脆塑轉變深度仿真結果

在TI950型納米壓痕儀上用刻劃試驗方法對KDP晶體脆塑轉變各向異性進行研究，得到KDP晶體不同晶面脆塑轉變深度試驗測量結果,如圖6~圖8所示。

圖6 KDP晶體開關晶面脆塑轉變深度試驗測量結果

圖8 KDP晶體三倍頻晶面脆塑轉變深度試驗測量結果

圖7 KDP晶體二倍頻晶面脆塑轉變深度試驗測量結果

仿真得到的脆塑轉變深度與試驗測量結果有較好的一致性，證明建立的KDP晶體本構模型及參數能夠比較準確地表征KDP晶體脆塑轉變各向異性的現象，為進行KDP晶體切削過程仿真及加工工藝研究奠定了基礎。在此基礎上，對KDP晶體的不同晶面和晶向進行了超精密飛切加工的試驗研究。圖9為KDP晶體二倍頻晶面的超精密飛切試驗結果，反映了沿該晶面不同方向以不同進給量f加工時加工表面的檢測結果，和上述模型及仿真結果有較好的一致性。

圖9 KDP晶體二倍頻晶面的超精密飛切試驗結果

4 大口徑KDP晶體超精密飛切加工設備研制

實現大口徑KDP晶體元件的超精密加工必須要有超精密加工設備來保障。在進行KDP晶體加工工藝研究的同時，開展了大口徑KDP晶體超精密飛切加工設備的研制工作。經過長期的努力和不斷改進，研制成功了立式結構的大口徑KDP晶體超精密飛切加工機床（見圖10）。

圖10 大口徑KDP晶體超精密飛切加工機床

該機床采用高剛度空氣靜壓主軸和大直徑飛刀盤，工作臺采用直線電動機驅動的液體靜壓導軌，床身采用天然花崗巖結構，在加工過程中使用真空吸盤對大口徑KDP晶體元件進行夾持。通過對機床整機進行建模與動力學分析和結構優化，進一步提高了機床加工精度和動態性能。該機床加工400mm×400mm鋁鏡平面試件，面形精度PV值優于2μm，加工表面粗糙度值Ra＜1.5nm，達到了高能激光系統對大口徑KDP晶體元件的加工要求。圖11為大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工表面粗糙度的檢測結果。

圖11 大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工表面粗糙度的檢測結果

5 結束語

大口徑KDP晶體元件是高能激光器中不可替代的重要光學元件。由于KDP晶體屬于軟脆材料，且具有明顯的各向異性的力學特性，所以目前大口徑KDP晶體光學元件的加工都采用單點金剛石刀具超精密飛切的加工方式。本文通過納米壓痕、劃痕試驗結合有限元仿真的方法，對KDP晶體加工過程中脆塑轉變各向異性的現象進行了研究，得到了優化的KDP晶體超精密飛切加工工藝。在此基礎上研制成功了大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工專用設備，滿足了大口徑KDP晶體元件的超精密加工需求，為國家重大科學工程提供了技術支撐。