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

摘要

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。该方法选用含水抛光液，使用小尺寸抛光头加工KDP晶体，抛光头行星运动公转中心在计算机控制下沿预设轨迹抛光KDP晶体，调整晶体表面各点的驻留时间，提高晶体面形精度；之后抛光头沿抛光轨迹匀速加工晶体表面，去除局部残余的小尺度刀纹，进一步提升表面质量。该方法利用KDP晶体可溶于水的物理性质对材料进行去除加工，不会产生传统机械去除过程中的亚表面损伤，同时也可以应用于类似KDP晶体的可溶于水的难加工材料，解决了目前大尺寸、高精度KDP晶体元件加工中，单点金刚石飞刀切削后晶体表面残余小尺度波纹的去除难题。

权利要求

1.一种KDP晶体表面微纳纹理的无损伤数控水溶解抛光去除方法，其特征在于：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（1）下部粘有低硬度的聚氨酯抛光垫；

步骤三：抛光头（1）相对被抛光KDP晶体（5）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（1）中心开加注孔直接注入抛光区域或者在抛光头（1）外侧浇注加入抛光区域；抛光头（1）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晶体，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（2）固定不动，即抛光头（1）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（1）面积与被抛光KDP晶体（5）面积比为1:5-10；

步骤六：在被抛光KDP晶体（5）表面预设抛光轨迹（6），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（5）表面上划分驻留点网格，抛光轨迹（6）经过各驻留点；抛光头行星运动公转中心（2）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（2）在被抛光KDP晶体（5）表面沿预设抛光轨迹（6）运动的同时，抛光头行星运动公转中心（2）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；

步骤七：由于步骤六中抛光头行星运动公转中心（2）在被抛光KDP晶体（5）表面各处驻留时间不同，因此会有局部低凹区域的小尺度刀纹未能完全去除；在步骤六之后，更换大尺寸抛光头（1），更换后的抛光头（1）面积与被抛光KDP晶体（5）面积比为1:2-5；抛光头行星运动公转中心（2）沿抛光轨迹（6）匀速运动，覆盖整个样件表面，同时为了防止出现样件边缘处去除量少于中间区域的情况，取四块与被抛光KDP晶体（5）等高的KDP晶体作为保护块（7），放置在被抛光晶体四周；抛光头行星运动公转中心（2）沿抛光轨迹匀速运动一至五遍后，被抛光KDP晶体局部残余的小尺度刀纹完全去除。

说明书

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

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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：

[0004] 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ZL 201210111555.4，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

[0005] 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。

[0006] 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：

[0007] 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；

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 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；

[0011] 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；

[0012] 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；

[0013] 步骤七：由于步骤六中抛光头行星运动公转中心在被抛光KDP晶体表面各处驻留时间不同，因此会有局部低凹区域的小尺度刀纹未能完全去除；在步骤六之后，更换大尺寸抛光头，更换后的抛光头面积与被抛光KDP晶体面积比为1:2-5；抛光头行星运动公转中心沿抛光轨迹匀速运动，覆盖整个样件表面，同时为了防止出现样件边缘处去除量少于中间区域的情况，取四块与被抛光KDP晶体等高的KDP晶体作为保护块，放置在被抛光晶体四周，以扩大抛光头活动范围，增大被抛光区域面积；抛光头行星运动公转中心沿抛光轨迹匀速运动一至五遍后，被抛光KDP晶体局部残余的小尺度刀纹完全去除，表面质量得到提高。

[0014] 本发明的有益效果是：

[0015] （1）利用KDP晶体可溶于水的物理性质对材料进行去除加工，抛光中不会产生传统机械去除过程中产生的亚表面损伤；

[0016] （2）通过控制抛光头行星运动公转中心在样件表面各点的驻留时间函数，结合后续的匀速抛光步骤，可在去除飞切后表面小尺寸刀纹的同时提升被抛光表面的面形精度；

[0017] （3）本发明也可以应用于类似KDP晶体的可溶于水的难加工材料，为这类晶体的超精密加工提供了一种技术途径。

附图说明

[0018] 图1是抛光头行星运动示意图。

[0019] 图2是抛光中可采用的栅格轨迹。

[0020] 图3是抛光中可采用的斜45度栅格轨迹。

[0021] 图4是抛光中可采用的螺线轨迹。

[0022] 图5是抛光中可能采用的Hilbert曲线轨迹。

[0023] 图6是抛光过程示意图。

[0024] 图7是保护块设置方式示意图。

[0025] 图8示出了根据本发明的一个实施例中测得的去除函数分布曲线。

[0026] 图9示出了根据本发明的一个实施例中抛光前KDP晶体表面的小尺度刀纹。

[0027] 图10示出了根据本发明的一个实施例中抛光后KDP晶体表面的检测结果，小尺度刀纹完全去除。

[0028] 图中：1 抛光头；2 抛光头行星运动公转中心；3 抛光头公转方向；4 抛光头自转方向；5 被抛光KDP晶体；6 抛光头公转中心运行轨迹；7 保护块。

具体实施方式

[0029] 下面结合技术方案和附图叙述本发明的具体实施方式。

[0030] 这种KDP晶体表面微纳纹理的无损伤数控水溶解抛光去除方法采用以下步骤：

[0031] 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；

[0032] 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1下部粘有低硬度的聚氨酯抛光垫；

[0033] 步骤三：抛光头1相对被抛光KDP晶体5做行星运动（如图1所示），自转的同时以一定偏心距公转；抛光液通过在抛光头1中心开加注孔直接注入抛光区域或者在抛光头1外侧浇注加入抛光区域；抛光头1接触晶体表面，进行加工，抛光压力10-100kPa；

[0034] 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；

[0035] 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2固定不动，即抛光头1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1面积与被抛光KDP晶体5面积比为1:5-10；

[0036] 步骤六：在被抛光KDP晶体5表面预设抛光轨迹6，采用的抛光轨迹为栅格形轨迹（如图2所示）、倾斜45度角的栅格轨迹（如图3所示）、螺线形轨迹（如图4所示）或Hilbert曲线轨迹（如图5所示）中的一种；根据选用的抛光轨迹，在被抛光KDP晶体5表面上划分驻留点网格，抛光轨迹6经过各驻留点；抛光头行星运动公转中心2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2在被抛光KDP晶体5表面沿预设抛光轨迹6运动的同时，抛光头行星运动公转中心2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（如图6所示），实现被抛光KDP晶体5面形精度的提高；

[0037] 步骤七：由于步骤六中抛光头行星运动公转中心2在被抛光KDP晶体5表面各处驻留时间不同，因此会有局部低凹区域的小尺度刀纹未能完全去除；在步骤六之后，更换大尺寸抛光头1，更换后的抛光头1面积与被抛光KDP晶体5面积比为1:2-5；抛光头行星运动公转中心2沿抛光轨迹6匀速运动，覆盖整个样件表面，同时为了防止出现样件边缘处去除量少于中间区域的情况，取四块与被抛光KDP晶体5等高的KDP晶体作为保护块7，放置在被抛光晶体四周，以扩大抛光头1活动范围，增大被抛光区域面积（如图7所示）；抛光头行星运动公转中心2沿抛光轨迹匀速运动一至五遍后，被抛光KDP晶体局部残余的小尺度刀纹完全去除，表面质量得到提高。

[0038] 例如：抛光头自转转速、公转转速均为100转/分钟，行星运动偏心距（公转半径）为5mm，抛光头直径为25mm，抛光液含水量为7.5%（质量分数），抛光压力为40kPa。在一块KDP晶体上，抛光头行星运动公转中心不动，加工30分钟。使用干涉仪测量加工前后KDP晶体面形，将两者相减并除以加工时间，得到以该实施例中抛光参数加工的去除函数曲线，如附图8所示。采用表面轮廓仪检测抛光前KDP晶体表面，表面小尺度刀纹明显，如附图9所示。之后采用附图3所示的栅格轨迹对单点金刚石飞切后KDP晶体进行抛光。抛光后，KDP晶体表面小尺度刀纹完全去除，如附图10所示，同时表面粗糙度也由抛光前的8,175nm降低至1.908nm，晶体表面质量得到提高。