一種kdp晶體表面微納紋理的無損傷數(shù)控水溶解拋光去除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種KDP晶體表面微納紋理的無損傷數(shù)控水溶解拋光去除方法，屬于超精密拋光方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磷酸二氫鉀晶體(KDP)是一種優(yōu)質(zhì)的非線性電光晶體材料，在慣性約束核聚變(ICF)技術(shù)中，被廣泛用作電光開關(guān)和倍頻轉(zhuǎn)換元件。ICF工程中需要大量大尺寸、超高質(zhì)量的KDP晶體元件，對KDP晶體的加工提出了極高要求。然而，由于KDP晶體具有軟脆，可溶于水，強各向異性等特點，是典型的難加工特點，加工出滿足ICF工程要求的高表面質(zhì)量，大口徑(410mmX410mmX 1mnOKDP元件難度極大。目前，單點金剛石飛切(SPDT)是最主要的一種KDP晶體的超精密加工手段，飛切后樣件具有較好的表面精度和表面完整性。然而，SPDT加工過程中，金剛石刀具刀尖旋轉(zhuǎn)同時晶體元件徑向進給，由于進給節(jié)距的存在，會導致飛切后的KDP晶體表面存在小尺度波紋，嚴重影響了晶體元件的光學性能，尤其會降低晶體的激光損傷閾值。同時，機械加工必然會產(chǎn)生亞表面損傷，飛切后KDP晶體樣件的損傷深度根據(jù)切削參數(shù)的變化，為幾十納米至幾微米。亞表面損傷層對晶體元件的光學性能進一步產(chǎn)生不良影響影響。飛切刀紋呈波浪形，尺度極小，其幅值僅為十余nm至數(shù)十納米，很難去除。如何在不引入其他損傷的前提下完全去除飛切刀紋，是亟待解決的難題之一。
[0003]在以往針對KDP晶體超精密光學元件超精密加工方法的專利技術(shù)中，有一些不同類型的例子:
專利名稱“一種用于軟脆易潮解晶體的非水基無磨料拋光液”，專利號ZL200910010268.2，是一種適用于軟脆易潮解材料拋光加工的非水基無磨料拋光液，僅給出了拋光需要的拋光液，并未提及針對大尺寸規(guī)格KDP晶體元件的加工工藝方法，此專利提及的拋光液在本發(fā)明中用作拋光介質(zhì)；專利名稱“基于超聲霧化水汽的KDP晶體微納潮解超精密拋光方法”，專利號ZL 201210111555.4，使用超聲水霧與壓縮空氣按比例混合為潔凈水霧氣體，以潔凈水霧氣體作為拋光媒介對KDP晶體進行加工，與本專利提到的加工方法有著明顯區(qū)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為實現(xiàn)無損傷去除單點金剛石飛切后KDP晶體表面殘余的微納刀紋，提高KDP元件質(zhì)量，本發(fā)明提供一種KDP晶體表面微納紋理的無損傷數(shù)控水溶解拋光去除方法，解決KDP晶體元件加工中的工藝難題。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種KDP晶體表面微納紋理的無損傷數(shù)控水溶解拋光去除方法，該方法采用以下步驟:
步驟一:利用KDP晶體溶于水這一特性，選用含水油基微乳液作為拋光液，拋光液中水含量依據(jù)材料粗精拋光質(zhì)量和去除速率要求不同，控制在3-30%范圍內(nèi)； 步驟二:使用面積小于被加工KDP晶體的小尺寸圓形拋光工具，拋光頭下部粘有低硬度的聚氨酯拋光墊；
步驟三:拋光頭相對被拋光KDP晶體做行星運動，自轉(zhuǎn)的同時以一定偏心距公轉(zhuǎn)；拋光液通過在拋光頭中心開加注孔直接注入拋光區(qū)域或者在拋光頭外側(cè)澆注加入拋光區(qū)域；拋光頭接觸晶體表面，進行加工，拋光壓力1-1OOkPa ;
步驟四:使用干涉儀檢測待拋光KDP工件，得到拋光前的初始面形分布M(x，7人作為目標去除矩陣；
步驟五:通過下列步驟實驗確定去除函數(shù):拋光頭行星運動的公轉(zhuǎn)中心固定不動，即拋光頭繞某一固定點做行星運動，在一塊實驗樣件表面拋光10-30分鐘后，使用干涉儀測量得到拋后去除區(qū)域形貌，再減去提前測得的實驗晶體初始形貌，得到拋光區(qū)域的去除量分布，記為矩陣似& W，再除以加工時間，即得到在單位時間內(nèi)一個公轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的去除量分布，記為去除函數(shù)似W，在之后的運算中作為一個拋光單元；拋光頭面積與被拋光KDP晶體面積比為1:5-10 ；
步驟六:在被拋光KDP晶體表面預設拋光軌跡，采用的拋光軌跡為柵格形軌跡、傾斜45度角的柵格軌跡、螺線形軌跡或Hilbert曲線軌跡中的一種；根據(jù)選用的拋光軌跡，在被拋光KDP晶體表面上劃分駐留點網(wǎng)格，拋光軌跡經(jīng)過各駐留點；拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心在各駐留點的駐留時間為P(? W，依據(jù)方程Kx, y)=RAR(x, y) ■ D(x, W，求得拋光軌跡上各點駐留時間分布D(x, y),并根據(jù)運算結(jié)果生成數(shù)控加工程序，控制拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心在被拋光KDP晶體表面沿預設拋光軌跡運動的同時，拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心在軌跡上各點的駐留時間滿足D(x, W，直至覆蓋整個待加工表面，實現(xiàn)被拋光KDP晶體面形精度的提尚;
步驟七:由于步驟六中拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心在被拋光KDP晶體表面各處駐留時間不同，因此會有局部低凹區(qū)域的小尺度刀紋未能完全去除；在步驟六之后，更換大尺寸拋光頭，更換后的拋光頭面積與被拋光KDP晶體面積比為1:2-5 ;拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心沿拋光軌跡勻速運動，覆蓋整個樣件表面，同時為了防止出現(xiàn)樣件邊緣處去除量少于中間區(qū)域的情況，取四塊與被拋光KDP晶體等高的KDP晶體作為保護塊，放置在被拋光晶體四周，以擴大拋光頭活動范圍，增大被拋光區(qū)域面積；拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心沿拋光軌跡勻速運動一至五遍后，被拋光KDP晶體局部殘余的小尺度刀紋完全去除，表面質(zhì)量得到提高。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:
(1)利用KDP晶體可溶于水的物理性質(zhì)對材料進行去除加工，拋光中不會產(chǎn)生傳統(tǒng)機械去除過程中產(chǎn)生的亞表面損傷；
(2)通過控制拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心在樣件表面各點的駐留時間函數(shù)，結(jié)合后續(xù)的勻速拋光步驟，可在去除飛切后表面小尺寸刀紋的同時提升被拋光表面的面形精度；
(3)本發(fā)明也可以應用于類似KDP晶體的可溶于水的難加工材料，為這類晶體的超精密加工提供了一種技術(shù)途徑。
【附圖說明】
[0007]圖1是拋光頭行星運動示意圖。
[0008]圖2是拋光中可采用的柵格軌跡。
[0009]圖3是拋光中可采用的斜45度柵格軌跡。
[0010]圖4是拋光中可采用的螺線軌跡。
[0011]圖5是拋光中可能采用的Hilbert曲線軌跡。
[0012]圖6是拋光過程示意圖。
[0013]圖7是保護塊設置方式示意圖。
[0014]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中測得的去除函數(shù)分布曲線。
[0015]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中拋光前KDP晶體表面的小尺度刀紋。
[0016]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中拋光后KDP晶體表面的檢測結(jié)果，小尺度刀紋完全去除。
[0017]圖中:1拋光頭；2拋光頭行星運動公轉(zhuǎn)中心；3拋光頭公轉(zhuǎn)方向；4拋光頭自轉(zhuǎn)方向；5被拋光KDP晶體；6拋光頭公轉(zhuǎn)中心運行軌跡；7保護塊。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0019]這種KDP晶體表面微納紋理的無損傷數(shù)控水溶解拋光去除方法采用以下步驟: 步驟一:利用KDP晶體溶于水這一特性，選用含水油基微乳液作為拋光液，拋光液中水含量依據(jù)材料粗精拋光質(zhì)量和去除速率要求不同，控制在3%_30%范圍內(nèi)；
步驟二:使用面積小于被