KDP晶体磨削加工表层损伤的检测与分析

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KDP(磷酸二氢钾,KH2PO4)晶体是20世纪40年代发展起来的一类优良的电光非线性光学晶体材料。因其具有较大的电光和非线性光学系数、高的激光损伤阈值、低的光学吸收系数、高的光学均匀性和良好的透过波段等特点而被广泛应用于激光变频、电光调制和光快速开关以及惯性约束核聚变等高技术领域。然而,由于KDP晶体具有易潮解、硬度低以及各向异性等特性,使其成为极难加工的晶体材料之一。在目前的加工条件下,各种加工方法都会对晶体产生一定的损伤。因此,通过对损伤产生机理的研究以及损伤深度的检测分析,以求实现KDP晶体的低损伤、高效率、超精密加工。本文在分析研究硬脆材料损伤检测方法的基础上,通过大量的试验以及对一些检测手段的优化及组合,最终找到了适合KDP这种软脆功能晶体材料表面/亚表面损伤检测的具体方法。利用压痕实验研究了KDP晶体在物理和机械方面的各向异性力学特性,主要研究了KDP晶体同一晶面不同晶向上的硬度和断裂韧性的各向异性特性;借助Olympus、SEM等光学设备研究了KDP晶体磨削加工后表面损伤情况;利用择优蚀刻法研究了不同晶面位错的大小、密度以及分布情况;利用截面显微法研究了磨削加工后亚表面损伤情况;最后研究了磨削加工参数对KDP晶体亚表面损伤深度的影响规律。实验结果表明:KDP晶体在同一晶面不同晶向上存在明显的各向异性特性;磨削加工后的KDP晶体表面存在明显的划痕、破碎以及裂纹等缺陷,有更深层次的亚表面损伤;在不同晶面上,由于剪切弹性模量以及加工条件的不同,位错密度、形状以及大小存在明显的差异;除砂轮粒度的影响外,对亚表面损伤深度的影响程度依次为砂轮进给速度、砂轮转速和工作台转速。磨削加工时,采用粒度均匀性高的砂轮,低的砂轮进给速度、高的工作台转速及砂轮转速,且沿(001)晶面的[110]晶向进行,能够加工出表面质量较好的晶体。
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