一种激光快速分离光学晶体方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光快速分离光学晶体方法，该方法先利用超快激光或微型金刚石砂轮对光学晶体进行分离方向设置，在分离开始端形成一条方向沿待分离路径的预制微裂纹；再利用聚焦激光对预制微裂纹进行扫描加热，形成激光诱导微裂缝；沿着待分离路径快速移动聚焦激光，直至激光移动速度与裂缝扩展速度相同，使聚焦激光始终跟随着微裂缝最前端，并使微裂缝两侧材料发生热膨胀效应，在微裂缝尖端产生前向挤压和侧向拉应力，将晶体材料拉开，最终实现晶体高质量分离。装置包括微裂纹预制机构、单焦点激光加工系统和二维工作台。本发明专利技术可提高光学晶体分离的速度、精度、加工安全性及质量，以实现光学晶体的无损耗分离和准抛光级光洁度分离表面。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种激光快速分离光学晶体方法，该方法先利用超快激光或微型金刚石砂轮对光学晶体进行分离方向设置，在分离开始端形成一条方向沿待分离路径的预制微裂纹；再利用聚焦激光对预制微裂纹进行扫描加热，形成激光诱导微裂缝；沿着待分离路径快速移动聚焦激光，直至激光移动速度与裂缝扩展速度相同，使聚焦激光始终跟随着微裂缝最前端，并使微裂缝两侧材料发生热膨胀效应，在微裂缝尖端产生前向挤压和侧向拉应力，将晶体材料拉开，最终实现晶体高质量分离。装置包括微裂纹预制机构、单焦点激光加工系统和二维工作台。本专利技术可提高光学晶体分离的速度、精度、加工安全性及质量，以实现光学晶体的无损耗分离和准抛光级光洁度分离表面。【专利说明】一种激光快速分离光学晶体方法及装置
本专利技术属于激光加工应用
，涉及一种激光快速分离光学晶体的方法和相关装置。本专利技术能够利用激光快速并高质量地分离加工透明材料，尤其是能安全、快速和高质量地分离磷酸二氢钾(KDP)等光学晶体。
技术介绍
KDP型晶体是一类重要的多功能晶体材料，二战期间，KDP被用于制造压电换能器和声呐等装备而成为军用物资。自20世纪60年代激光技术出现以后，这类晶体材料由于具有较高的非线性光学系数、宽的透光波段以及优良的电光、频率转换性能在光电子
中得到了广泛的应用。特别是近年来随着惯性约束核聚变(ICF)技术的兴起和ICF在受控热核反应、模拟核爆等重大技术上的前景，使得对KDP型晶体的研究又进入了一个新的阶段。因为尽管各种新型的非线性光学晶体不断涌现，但纵观其综合的性能，尤其是所需的特大尺寸，到目前为止能用于ICF系统的也仅仅只有KDP型晶体。鉴于此型晶体的战略意义，西方发达国家禁止出口其大尺寸、高质量KDP光学晶体材料及相关加工技术，致使该材料在国际市场上十分紧俏。获得所需的KDP晶体，是我国自行研制核发电机组工作的当务之急，随着核能发电业的发展，此型晶体的需求量将越来越大，研发出具有自主知识产权的KDP晶体加工技术将会带来巨大的经济和社会效益。目前我国在大尺寸KDP生长工艺技术上已获得了较大的突破，但在KDP晶体坯体切割分离加工方面，仍然是一个较大的瓶颈问题。国内KDP晶体切割主要是采用机械方法——油冷锯条切割。由于KDP型晶体对生长工艺和生长环境要求苛刻，生长大尺寸晶体的周期很长、成品率极低，并且具有典型的宏观对称性、微观对称性以及薄膜对称性，使得晶体的物理性质表现为显著的各向异性，不同方向的弹性系数、热膨胀系数、抗拉强度、抗压强度以及断裂韧性等均不一致，同时晶体内部点阵排列的周期性使得光学晶体大多表现出质软、高脆性和易解理。这些因素会导致在传统机械加工切割过程中出现崩边、微裂纹以及碎裂现象，造成晶体的机械切割成功率极低，更不用说高精度的分离，因此这类晶体被公认为世界最难加工材料之一。此外，光学晶体生长过程中的杂质和错位会使得晶体内部出现晶包或缺陷，其产生的内应力和应变极易使晶体发生开裂，导致晶体加工过程中受机械应力、震动和热应力影响非常大，加工过程缓慢且困难，分离效率极低。同时光学元器件对加工后晶体表面的质量要求非常高，而晶体又多为溶液法生长，对机械加工中的粉尘及泠却液敏感，极易发生潮解和污染。本 申请人:于2011年02月24日提出了“一种双激光束分离光学晶体方法及装置”的专利技术专利申请(专利号为CN102152003A)。该方法将高峰值功率密度、低脉冲能量的第一超快激光束聚焦进光学晶体内部，激光焦点处的晶体材料由于受到极强的光场而产生多光子电离效应，使该处的晶体发生相变、局部熔化和改性，从而大幅提高焦点区域的光吸收率和降低该区域的结合力。利用三维工作台的移动使第一激光作用区域形成贯穿整个晶体的预处理面。再采用低峰值功率、高脉冲能量的第二激光束作用于所述预处理面上，使光学晶体分离。该方法虽然实现了 KDP晶体的无接触分离，但必须使用超快激光在晶体内形成一个预处理面，依然存在以下问题:(I)使用超快激光对晶体进行改性对光强控制精度和稳定性要求极高，机构复杂，设备昂贵。(2)制作一个贯穿分离轨迹的改性面会破坏晶体内应力稳定性，遇到材料晶格缺陷时还会形成爆点，制作过程中时常发生开裂。(3)贯穿晶体的预处理面会破坏分离侧壁的粗糙度和材料性能，致使分离后的晶体侧壁必须对预处理区域进行抛光去除方可使用。(4)该方法的分离原理为激光加热材料膨胀之后冷却而产生的拉应力，因此其分离速度严重受制于材料的冷却，虽然较传统机械切割快得多，但速度仍然不能满足实际需求。
技术实现思路
本专利技术提供的一种激光快速分离光学晶体方法及其装置，目的在于进一步提高光学晶体分离的速度、精度、加工安全性及质量，以实现光学晶体的无损耗分离和准抛光级光洁度的晶体分离表面；本专利技术还提供了实现该方法的装置。本专利技术提供的一种激光快速分离光学晶体方法，其特征在于:该方法首先利用超快激光或者采用机械方法对光学晶体进行分离方向设置，在分离开始端形成一条沿待分离路径方向分布的预制微裂纹；然后利用圆形或者长条型聚焦激光对预制微裂纹进行扫描加热，形成一条激光诱导微裂缝；最后，沿着待分离路径快速移动聚焦激光，直至激光的移动速度与激光诱导微裂缝的扩展速度相同，使聚焦激光始终跟随着微裂缝最前端，并使微裂缝两侧材料发生热膨胀效应，从而在微裂缝尖端产生前向挤压和侧向拉应力，将晶体材料拉开，最终实现晶体高质量分离。本专利技术提供的实现上述激光快速分离光学晶体方法的装置，其特征在于，该装置包括微裂纹预制机构、单焦点激光加工系统和二维工作台；所述二维工作台用于固定晶体，其四角安装有能提供拉力的弹簧，二维工作台表面为气浮或者分离路径镂空；微裂纹预制机构用于在待加工光学晶体上设置一个分离方向和产生初始微裂纹；所述单焦点激光加工系统安装在二维工作台上方，用于提供聚焦激光，并在初始微裂纹上扫描，形成一条激光诱导微裂缝及最终实现晶体高质量分离。本专利技术利用激光与晶体材料相互作用无机械接触、晶体材料对激光具有透明性且呈体吸收、晶体材料抗拉强度差以及晶体材料对热应力敏感等特点，使用激光加热带有初始预制微裂纹的透明材料，从而使预制微裂纹两侧的材料发生热膨胀效应，对微裂纹的最前端产生作用范围极小而强度极大的前向挤压和侧向拉应力区域，将晶体材料拉开，瞬间完成光学晶体的分离，实现在分离光学晶体过程中无碎裂、分离精度高、可任意方向分离和无污染的目的。因此本专利技术具有以下优点:1、由于激光束与光学晶体相互作用是非接触性，因而消除了机械方法在切割过程中导致光学晶体破碎的震动和机械应力；2、激光分离光学晶体可以比机械切割分离获得更精确的分离尺寸；3、不受光学晶体自身各项异性的影响，可进行任意方向的分离；4、由于激光束分离光学晶体过程中无粉尘碎屑，也无需油冷却，消除了分离光学晶体过程中对光学晶体表面的污染破坏；5、晶体极少需要或无需超快激光改性，设备简单，稳定、安全性高；分离过程中几乎无飞秒激光破坏，分离侧壁光洁度高，并保持原有的物理性能；6、由于本分离方法采用的是激光诱导裂缝最前端尖峰拉应力，可以获得较高的激光分离速度和分离侧壁质量。7、本专利技术特别适用于KDP光学晶体的分离。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术提供的激光快速分离光学晶体装置的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光快速分离光学晶体方法，其特征在于：该方法首先利用超快激光对光学晶体进行分离方向设置，在分离开始端形成一条沿待分离路径方向分布的预制微裂纹；然后利用圆形或者长条型聚焦激光对预制微裂纹进行扫描加热，形成一条激光诱导微裂缝；最后，沿着待分离路径快速移动聚焦激光，直至激光的移动速度与激光诱导微裂缝扩展速度相同，使聚焦激光始终跟随着微裂缝最前端，并使微裂缝两侧材料发生热膨胀效应，从而在微裂缝尖端产生前向挤压和侧向拉应力，将晶体材料拉开，最终实现晶体高质量分离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段军，邓磊敏，曾晓雁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：