基于小波和分形的KDP晶体形貌分析及对透光性能影响的研究

摘要

KDP晶体元件是惯性约束核聚变（ICF）中的关键性部件，其光学性能的优良与否是制约惯性约束核聚变项目发展的关键性问题。惯性约束聚变中固体激光驱动器对 KDP晶体光学零件表面形貌的基本要求是：高精度的面形质量（透射波前λ/6 PV）、高激光损伤阈值（15J/cm2）、良好的表面粗糙度 rms（≤5nm）。目前，表面形貌特征对 KDP晶体光学性能的影响，还未有系统性的研究。全面的表征和分析 KDP晶体元件的表面形貌特征，是研究表面形貌对光学性能影响的前提。研究各种表面形貌特征对其光学性能的影响，对优化KDP晶体的加工工艺、提高 KDP晶体元件的光学性能，有重要的借鉴意义。基于以上原因，本文针对 KDP晶体表面形貌特征的分析与表征及其与加工工艺和光学性能的关系展开研究。
　　为能够比较全面的分析和表征 KDP晶体的已加工表面形貌特征，本文选择分形方法、小波方法和功率谱密度方法对 KDP晶体已加工表面形貌进行分析。分形方法区别于传统粗糙度表征方法的主要特征是不依赖于测量尺度，即表面的分形维数值不随测量尺度的变化而变化，而且能够充分利用测量数据，可以用于反映表面形貌的本质属性。功率谱密度方法可以全面的反映测量区间中的所有小尺度波纹特征对表面形貌的影响，并且与小波方法相结合可以提取和分析表面形貌中任意小尺度波纹特征的三维空间分布状态。
　　文中使用傅立叶模方法分析了表面小尺度波纹特征对近场光电场强度的影响规律；通过计算表面形貌对入射光束的偏移量，理论分析了表面分形维数与晶体元件二倍频效率和近场光场强度的关系。为充分分析表面形貌特征，文中使用二维小波方法实现对 KDP晶体三维已加工表面形貌的多尺度分解；使用一维及二维功率谱密度方法，分析 KDP晶体已加工表面上的频率状态分布；使用功率谱密度方法与二维小波变换相结合提取出表面上特定空间频率特别是小尺度波纹的三维表面形貌，并且通过对功率谱密度的计算，可以得到特定空间频率的三维形貌对原始表面形貌的影响程度，从而能够分析影响表面形貌或光学性能的各种频率因素。同时使用分形方法分析了 KDP晶体表面形貌的分形维数特征和各向异性特征；分形维数特征的分析包括分形维数值的计算及其与表面粗糙度的关系，表面各向异性特征通过计算表面形貌各个方向轮廓的一维分形维数分布状态来进行分析。
　　通过对 KDP晶体进行切削实验，得到与不同加工参数相关的已加工表面形貌。对切削试验所得到的表面进行分形、小波和功率谱密度分析，可以得到进给量、主轴转速和背吃刀量等加工工艺参数对表面分形特征及频率特征的影响规律。各种不同工艺参数对表面形貌的影响为：进给量对已加工表面形貌的分形维数和频率特征影响的规律性最为明显；背吃刀量只对表面分形维数特征影响的规律比较明显，而对表面频率特征无明显的影响；主轴转速则对表面形貌分形维数和频率特征的影响均不明显。
　　最后，对具有不同形貌特征的 KDP晶体元件进行激光透过率的光学实验，并通过结合表面分析方法可以分别得到不同表面形貌的分形特征和频率特征对 KDP元件光学性能的影响规律，其结果基本与理论分析结果相一致。通过光学试验表明，表面形貌的分形特征和频率特征对 KDP晶体元件的透光性能均有比较明显的影响，其中频率特征对透光性能的影响要大于分形特征对透光性能的影响。在分析不同形貌特征对透光性能影响的基础上，结合切削工艺的不同加工参数对表面形貌分形特征和频率特征的影响规律，提出了可以得到具有较好光学性能表面形貌的KDP晶体加工工艺参数的优化方案。

目录

基于小波和分形的KDP 晶体形貌分析及对透 光性能影响的研究

WAVELET AND FRACTAL ANALYSIS ABOUTSURFACE TOPOGRAPHY OF KDP CRYSTAL ANDITS EFFECT ON TRANSPARENT PERFORMANCE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的、意义

1.2 表面形貌的研究及其功能

1.2.1 表面形貌的定义及特点

1.2.2 表面形貌研究的主要内容

1.3 国内外表面形貌分析方法的研究现状

1.3.1 三维粗糙度表征参数

1.3.2 小波方法

1.3.3 功率谱密度

1.3.4 分形方法

1.3.5 光学元件表面疵病分析

1.4 KDP 晶体光学性能的研究现状

1.5 KDP 晶体的常用加工方法

1.6 本课题的主要研究内容

第2章 KDP 晶体表面频率特征的研究

2.1 引言

2.2 频率特征的分析方法

2.2.1 小波变换

2.2.2 功率谱密度

2.3 表面频率特征对晶体表面光场特性的研究

2.4 KDP 晶体表面形貌的小波多尺度分析

2.4.1 已加工表面的小波分析

2.4.2 已加工表面的小波分解

2.5 功率谱密度分析

2.6 特定频率表面的提取

2.7 本章小结

第3章 KDP 晶体表面分形特征的研究

3.1 引言

3.2 用于KDP 晶体形貌分析的分形方法

3.2.1 分形方法的基本理论

3.2.2 分形维数的计算

3.2.3 表面形貌的方向性特征

3.3 表面分形结构对光场性质的影响研究

3.4 已加工表面分形分析

3.4.1 分形维数与表面粗糙度的关系

3.4.2 已加工表面形貌各向异性的分形分析

3.4.3 加工方法对表面形貌各向异性的影响

3.5 材料结构表面的分形分析

3.6 本章小结

第4章 KDP 晶体加工过程对表面形貌的影响

4.1 引言

4.2 切削参数及刀具参数

4.3 切削参数对表面形貌的影响

4.3.1 进给对表面形貌的影响

4.3.2 转速对表面形貌的影响

4.3.3 背吃刀量对表面形貌的影响

4.4 本章小结

第5章 KDP 晶体表面形貌对透过率影响的实验研究

5.1 引言

5.2 表面形貌特征对透过率的影响

5.2.1 分形特征对透过率的影响

5.2.2 表面频率特征对透过率的影响

5.2.3 KDP 晶体加工工艺的优化

5.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士论文涉密论文管理

致谢

个人简历