Yb:YAG激光晶體板條加工工藝研究*

戴龐達(dá) 竇仁勤 王小飛 張琦 陶煦

1. 皖江新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心 安徽 銅陵 244000；2. 安徽火天晶體科技有限公司 安徽 銅陵 230009

引言

Yb:YAG激光晶體是近紅外波段綜合性能優(yōu)良的激光晶體，是固體激光器的核心工作物質(zhì)。隨著固體激光技術(shù)的快速發(fā)展和對減小激光束熱透鏡效應(yīng)和熱光畸變效應(yīng)的迫切需求，激光晶體元件的形狀從棒狀發(fā)展到板條狀結(jié)構(gòu)[1-3]。目前晶體元件尺寸得到了較大的突破，但是大尺寸晶體板條元件對光學(xué)加工要求非常的嚴(yán)格，板條的元件的加工精度直接影響到激光器的輸出光束質(zhì)量，而各種加工缺陷將造成晶體內(nèi)部激光損耗，降低元件的損傷能力[4]。

本文以大尺寸Yb:YAG元件為研究對象，在“環(huán)拋檢測系統(tǒng)（編號：201907A03050004）”項目支持采購的環(huán)拋機(jī)、激光平面干涉儀、線切割機(jī)基礎(chǔ)上，從瀝青盤的制作，元件小面、元件大面、板條斜角加工等方面進(jìn)行深入研究，獲得了超大尺寸板條加工工藝。

1 瀝青盤制作

準(zhǔn)備適量的瀝青按一定的比例加熱至完全融化，開啟瀝青盤慢慢轉(zhuǎn)動，注入瀝青，使瀝青均勻的鋪在盤面上。利用高溫火焰去除瀝青表面氣泡直至表面光滑無氣泡，瀝青盤冷卻后，需削邊使瀝青盤邊緣變光滑。采用尺子在瀝青盤上表面取直徑十字對切，控制開槽深度適宜，以田字格2.5cm左右形式開溝槽，中間開圓孔，便于存料。開好槽后用刀把邊緣部分的多余的和不規(guī)整瀝青去除，修刮平整。利用修正盤和磨料進(jìn)行瀝青盤面形修正，最后用溫水清理溝槽和盤面。

2 板條大面研磨

板條尺寸為35mm*8mm*150mm，將板條平行居中的黏結(jié)在直徑為250mm的平板玻璃上，板條與板條之間留有一定的距離，將平板玻璃放在加熱盤上進(jìn)行板條預(yù)熱，板條溫度達(dá)到60℃左右時，將熔化的石蠟刷在板條縫上。在板條降溫的過程中，蠟慢慢滲透進(jìn)板條，達(dá)到固定和保護(hù)板條的作用。將整個平板玻璃和板條放在單軸機(jī)上進(jìn)行研磨。先采用W180碳化硼砂或者碳化硅沙進(jìn)行磨平處理，同時采用刀口尺進(jìn)行在線測量板條大面的平整度，刀口尺與大面之間無縫隙后，依次采用W40、W25、W14碳化硼砂進(jìn)行大面拋光，逐級減小碳化硼砂的粒徑，有助于提高拋光面的平整度，減少劃痕、沙眼，麻點。每換一次不同粒徑的碳化硼砂，都需要將板條、平板玻璃上的沙子清洗干凈，避免不同粒徑沙子混在一起，引起拋光面產(chǎn)生新的劃痕。面形與厚度達(dá)到要求后，用酒精、丙酮清洗殘留碳化硼砂，換成聚氨酯盤繼續(xù)拋光至表面無麻點，無劃痕。大面面型可以采用瀝青盤修正，直到面型修至1個波長；另一個大面重復(fù)以上步驟研磨到目標(biāo)厚度尺寸，再拋光至兩面平行度優(yōu)于5″，平面度優(yōu)于1個波長。拋光完畢后用用酒精、丙酮、汽油等擦除表面殘存松香蠟和瞬時膠，用陽干漆或者樹漆等保護(hù)膠在大面上均勻涂一層，已達(dá)到保護(hù)作用。

3 板條兩個端面的加工

將板條側(cè)面放在平板玻璃上用直角玻璃塊體粘接，起到固定作用，用光學(xué)瞬時膠粘住縫隙，并依次灌蠟。側(cè)面的研磨與大面的研磨步驟相類似。第一側(cè)面在粗磨的過程中要保證側(cè)垂，面形用刀口尺檢測無縫后，磨第二面，邊磨邊打等厚。打等厚的位置是板條兩端，找到最低點一端作為參考標(biāo)準(zhǔn)，做歸零處理，打另外一邊。在保證面形的情況下，采用氨酯進(jìn)行拋光，拋至檢測面形并小于2個波長，并保證側(cè)垂度等要求后清卸玻璃片和表面殘存，用陽干漆或者樹漆等保護(hù)膠在側(cè)面均勻涂一層，保護(hù)好板條。

4 板條斜角的加工

將板條兩個大面用透明膠帶或黑色膠帶保護(hù)起來并在板條中間部分留有一個小觀察視窗，粘接角度塊和板條，角度面相對將板條夾在中間，側(cè)面再粘接條狀板條塊保護(hù)，圍成一個方形，先用光學(xué)瞬時膠封住縫隙再加熱松香蠟，灌入每個接縫，固化12小時后先用碳化硅研磨突出的末端至一個平面，然后依次用碳化硼W180、W40、W28、W14、W7研磨。端面已拋亮的一面（90°面）為透光基面，不用貼片即可看角度和側(cè)垂。研磨達(dá)到要求角度和側(cè)垂并且保證面形用刀口尺檢測無縫后，用酒精、丙酮清洗干凈殘留碳化硼，用聚氨酯拋光盤進(jìn)行初拋至表面無麻點、無劃痕，并檢測側(cè)面角度并精修角度誤差。為防止碰撞損傷邊緣掉落碎渣影響光潔度和貼合模具大小，邊緣部分用軟橡皮粘貼保護(hù)起來。再用瀝青環(huán)拋機(jī)精修面型精度及光潔度。上述每步拋光完成時，都采用Zygo干涉儀進(jìn)行面型檢測，如達(dá)不到目標(biāo)參數(shù)，需進(jìn)一步修正，直至檢測數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)時將板條元件下盤，用丙酮浸泡至工裝分離，然后清洗干凈。經(jīng)過上述研磨工藝，板條元件的兩個大面的平面度達(dá)到1/10波長。

5 結(jié)束語

通過從瀝青盤的制作開始，對超大尺寸Yb:YAG晶體板條元件的大面、側(cè)面、和斜角面的研磨拋光進(jìn)行了詳細(xì)的研究，獲得了一套超大尺寸板條加工工藝，尤其對超大面的面型得到了很好的控制，平面度達(dá)到1/10波長，本項目技術(shù)為實現(xiàn)超大尺寸高精度板條元件批量化加工提供了有效的技術(shù)途徑。