双激光束分离KDP单晶机理的研究

如何提高大尺寸KDP晶体坯件切割分离成功率和切割效率一直是阻碍我国"激光惯性约束聚变点火工程"项目中固体激光器研制的关键问题之一。本项目提出具有知识产权的高峰值功率、低能量超短脉冲激光束与低峰值功率、高能量激光束相结合的双激光束分离KDP晶体创新技术。通过对聚焦激光在KDP晶体中的传输特性和吸收特性的研究，建立聚焦激光在晶体中的光场强度分布数学模型和聚焦激光在KDP晶体中产生的动态温度以及应力分布数学模型。研究双激光束与KDP晶体中的分子、离子或原子相互作用机理和机制，计算模拟双激光束分离晶体最佳参数及分离晶体实验优化，获得一套完整的双激光束与KDP单晶体相互作用机理科学理论，实现利用高峰值功率、低能量超短脉冲激光束来提高晶体对激光吸收率并控制晶体分离方向，然后采用低峰值功率、高能量激光束对晶体实施迅速分离，解决大尺寸非线性光学单晶体当前切割分离成品率低，效率低以及加工难度高的困境。

大口径磷酸二氢钾(简称:KDP)光学单晶，用于制作光学倍频转换器及电光开关元件，是激光惯性约束聚变点火工程关键的光学器件，提高大尺寸KDP晶体坯件切割分离成功率和切割效率一直是阻碍我国“激光惯性约束聚变点火工程”项目中固体激光器研制的关键问题之一。国内大块KDP晶体坯件分离方法主要是油冷锯条切割的机械加工，极易发生碎裂，导致加工速度非常缓慢，成品率极低。西方发达国家不但对我国进行技术封锁，即使是加工好的元件也不许出口到中国。本项目提出具有知识产权的双激光束分离KDP晶体创新技术，通过对聚焦激光在KDP晶体中的传输特性和吸收特性的研究，建立了聚焦激光在KDP晶体中的传输模型以及聚焦激光在晶体中的光场强度分布数学模型和聚焦激光在KDP晶体中产生的动态温度以及应力分布数学模型；研究双激光束与KDP晶体中的分子、离子或原子相互作用机理和机制；通过计算模拟双激光束分离晶体最佳参数及分离晶体实验优化，获得了一套完整的双激光束与KDP单晶体相互作用机理科学理论, 并在国内外首次实现了厚度达200mm的KDP晶体激光分离。分离速度高达300μm/s，高于同类尺寸KDP晶体的机械切割速近20倍，且分离侧壁无粉尘、崩边和微裂纹、切口的粗糙度可低到2.6843 μm，分离侧壁的平面度可达5.433 μm，分离角度精度可达0.06°。该技术研发成功有望突破决大尺寸非线性光学单晶体精密加工中成品率低及加工难度高的瓶颈，对取代国内的落后加工技术，扩大晶体粗加工尺寸范围，缩短加工时间，提高成品率是具有重大意义。该项目共获得中国发明专利4项、实用专利4项，发表论文7篇（其中先进制造领域顶尖SCI期刊3篇、中国核心期刊2篇、国际会议报告论文2篇），已接受论文1篇（中国核心期刊1篇），正在审稿SCI期刊论文1篇，正在撰写论文1篇，已超额完成本项目预期任务指标。由团队国内外首次提出的激光分离KDP晶体技术理论对光学晶体激光切割分离技术未来的发展有着重要的指导意义。