基于psd方法的kdp晶体超光滑表面表征技术研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[8]糙度的函数，激光损伤阈值随着表面粗糙度的减小而增大，而超精密车削表面会产生小尺度波纹，直接影响着KDP晶体车削表面粗糙度，传统粗糙度表征方法忽略了纵向和横向的表面空间信息分布，不能满足KDP晶体表面轮廓分析对空间信息分布的需求，因此对KDP晶体表面空间频率进行定量化分析是十分重要的一项工作。本课题研究超精密切削KDP晶体微观表面轮廓的功率谱密度表征方法，实现微观表面轮廓在空间频段分布情况的表征，并且将计算各个空间频率对表面质量的影响程度。然后将功率谱密度与小波分析方法相结合，在

2、微观表面轮廓上还原出特定的空间频率所在的位置，为接下来研究小尺度波纹与KDP晶体激光损伤阈值间的关系打下基础。1.2KDP晶体在惯性约束核聚变中的应用在ICF装置中，对非线性光学材料有如下基本要求：(1)宽的透光波段(近2紫外~近红外)；(2)较大的电光、非线性系数；(3)高的损伤阈值(>15J/cm，1ns)；(4)特大口径(φ300~400mm)的晶体；(5)适当的双折射和低的折射率不均匀性。虽然有几种非线性光学材料(如BBO，LBO，DLAP)的透光波段、非线性系数和抗激光损伤等性能均优于KDP晶体，但这些

3、材料都很难生长出大尺寸的单晶体。KDP类型晶体(包括DKDP)材料能同时满足上述五种特征要求。因此，大口径KDP晶体是目前唯一可作为激光核聚变用的倍频转换和普克尔斯[9]盒(Pockels，亦称之为：光电开关)的晶体材料。图1-1为NIF系统中的KDP晶体光学元件。功率放大器空间滤波器偏光器主放大器空间滤波器前置模块可变形镜光学转换器靶丸频率转换器终端光学组件主振荡器(KDP晶体)图1-1NIF系统中的KDP晶体光学元件Fig.1-1TheKDPopticalcomponentintheNIFsystem对于激光

4、核聚变工程，需要固体激光驱动器在最后阶段照射核靶丸时提供2很高的能量，以实现核聚变点火(点火所需能量为3~10MJ/cm，3~5ns)时为能-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文量的需要。现今提高核聚变点火能量的方法主要就是采用多路激光驱动器的氘[10]氚核靶丸进行照射(如美国NIF点火装置的激光驱动器路数为192路；法国“兆焦点火装置——MegaJoule”激光驱动器路数为288路；中国“神光-III”核聚变驱动装置激光路数为192路等)。但是，由于每路激光驱动器中所采用的KDP激光损伤阈值比较低，从而限制采用超

5、大功率的固体激光器对核靶丸进行驱动，使核靶丸很难达到核聚变点火时所需能量要求，如采用更多路激光对核靶丸进行驱动，则会花费巨大的武力和财力。因此，KDP晶体激光损伤阈值大小将直接影响到激光输出的能流密度与其自身的使用寿命，已成为制约惯性约束核聚变发展和应用的技术瓶颈。目前，有关KDP晶体在没有外来杂质情况下的激光损伤机理，以往研究的重点主要集中在KDP晶体内部稳态和瞬态缺陷[11]对KDP晶体激光损伤阈值的影响。但新的研究发现：KDP晶体元件的表面特征对其光学性能有很大的影响。如在激光核聚变驱动器研制中，一般要求K

6、DP晶体表面粗糙度的P-V值为5∼20nm，RMS值1∼4nm，如果该项技术指标未达到要求，不仅将造成高功率激光散射，影响光束质量，而且在不符合要求的粗糙度表面上镀膜将使膜层抗激光破坏能力大大减弱，从而降低了膜层和材料的破坏阈值，特别是KDP晶体元件已加工表面上如存在小尺度波纹会给KDP晶体的透射波前增加小尺度的周期性扰动，严重时波纹会在刀具旋转方向上形成类似光栅的结构，产生明显的色散现象；小尺度波纹是强激光增长的噪声源，在高功率的情况下会产生自聚焦丝状破坏，严重影响KDP晶体原件的光学性能[4]。而对于表面粗糙

7、度RMS达到0.1nm的超光滑表面，激光损伤阈值会得到较2[12]大提高，将达到17J/cm。因此在考虑晶体材料的内部因素对光学性能影响的同时，还必须考虑表面因素的影响。1.3国内外表面分析方法的研究现状微观形貌提供了极有价值的表面信息，对它的定量表征是深入研究表面空间信息的重要途径。自工程学发端时起，研究人员已经认识到加工表面有着复杂而精细的结构及特征，但受当时测量技术的限制，表面研究停留在基于显微镜对表面的观察阶段，无法获得表面高度信息的定量分析。20世纪30年代初期，随着第一台触针轮廓曲线仪的问世，人们对表

8、面的研究进入了更为深入的定量表征阶段。此后表面的加工、控制和测量技术多次出现重大变革，表面研究也从宏观扩展到微观、从二维延伸到三维。伴随着这些表面表征方法重大进展，近来表面形貌的定量表征中除二维(2D)参数和三维(3D)参数等方法外，-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文又涌现出许多新的先进数学方法如分形、小波、功率谱密度等，它们都被较好地应用于表面表征中。1.3.1三维表