KDP晶体离子束清洗工艺技术研究

摘要

KH2PO4（简称KDP）是一种非线性光学晶体，具有良好的光学性能，在惯性约束核聚变领域具有极为重要的地位。由于KDP晶体质地软，表面易感染杂质，且杂质元素通常是微量的，常用的清洗方法清洗效果较差，操作不当易破坏表面质量。因此针对上述难题，将离子束抛光技术引入 KDP晶体的清洗工艺，形成KDP晶体超精密加工的一条完整工艺链。本论文从以下几个方面展开了具体研究：
　　（1）建立离子束加工KDP晶体的温度场模型。利用TRIM软件模拟Ar+轰击KDP晶体表面的过程，获得了工件表面能量沉积与分布，并分析了入射离子能量与入射角度对沉积能量、扰动层深度的影响规律；根据沉积能量在工件表面的分布，建立了任意角度入射下的工件表面能量功率分布模型；根据传热学理论以及功率分布模型，建立了移动高斯型面热源下的工件表面温度场模型。
　　（2）离子束加工KDP晶体工艺参数优化设计。通过ANSYS仿真验证了理论模型的正确性；研究了移动速度对峰值温度的影响规律，进而得出了降低峰值温度的同时保证了去除效率的最优速度；通过正交实验对工艺参数进行了优化，得出各参数对峰值温度的影响规律以及对峰值温度的影响权重。
　　（3）仿真与加工参数匹配。通过法拉第杯对不同参数下的束流参数进行采集，分析了加工参数（束电压、束电流、靶距等）对仿真参数（峰值束流密度、束流分布参数等）的影响规律。对比了匹配性较好的束电压与束电流组合下的峰值温度，优化了加工参数；利用优化后的加工参数，对离子束加工大口径KDP晶体可行性进行了验证。
　　（4）KDP晶体离子束清洗工艺验证。对比不同清洗工艺后的KDP晶体表面微观形貌，验证了离子束加工的良好清洗效果；通过理论去除效率与实际加工去除效率对比，验证了去除函数模型的正确性；通过对比不同去除深度下的KDP晶体表面粗糙度，体现了离子束清洗不会破坏或进一步降低KDP晶体表面粗糙度；通过TOF-SIMS对不同离子束清洗工艺下的KDP晶体表面元素检测，说明了在特定工艺下，离子束清洗既可以去除已有的杂质，同时也未引入新的杂质。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的来源与意义

1.2 KDP晶体的特性

1.3 国内外发展现状

1.4 论文主要研究内容

第二章 KDP晶体离子束加工温度场建模分析

2.1 热源模型

2.2 温度场模型

2.3 本章小结

第三章 数值模拟与工艺参数优化设计

3.1 离子束加工数值模拟

3.2 仿真对比与速度优化

3.3 离子束加工工艺参数优化

3.4 本章小结

第四章 仿真与加工参数匹配

4.1 束流密度测量原理

4.2 束电压与束电流的选取

4.3 束电压、束电流、靶距对束流密度、束流分布参数的影响

4.4 加工参数选取

4.5 工艺验证

4.6 本章小结

第五章 工艺实验与分析

5.1 不同清洗工艺对比

5.2 KDP晶体离子束清洗

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果