CN108705692A - 大口径kdp晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法 - Google Patents

Abstract

大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，属于光学材料与光学元件修复加工技术领域。为了解决软脆KDP晶体元件表面激光损伤点修复时修复轮廓单一、修复表面质量差、效率低等问题。根据修复轮廓的控制方程建立修复点的几何模型；选取加工刀具；创建粗加工修复工序；创建精加工修复工序；将由刀路轨迹计算获得的刀路源文件转换为通用的数控加工NC代码，将NC代码转换为修复机床控制器可识别的加工程序文件；利用粗、精加工NC代码在KDP晶体修复机床上进行精密微铣削修复实验，实现不同激光“友好型”修复轮廓的高效、高质量加工。能延缓晶体元件表面激光损伤点的增长行为，提高晶体元件抗激光损伤能力并延缓其使用寿命。

Description

大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法

技术领域

本发明属于光学材料与光学元件修复加工技术领域，具体涉及一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤点的精密微铣削修复工艺方法。

背景技术

KDP功能晶体材料应具备独特的光学性能而被用来制作光电开关和倍频元件，成为现阶段激光驱动惯性约束核聚变工程中不可替代的核心器件。当前，采用单点金刚石飞切超精密加工技术基本能够实现大口径、高精度、高质量晶体元件的加工制备，工程用KDP晶体元件的加工精度和表面质量已达到机械加工的极限水平。然而，加工后的晶体元件在高能量强激光使用环境下极易诱发表面激光损伤斑点，这些损伤缺陷一般表现为表面烧蚀残留、脆性破裂、裂纹、凹坑等多种形式。在后续的激光辐照过程中，这些损伤点尺寸会急剧扩展，从而大大影响入射激光的通光性能。当前世界上最大的激光核聚变装置——美国“国家点火装置”中，当晶体元件表面损伤点面积占整块元件面积的比例超过3％时，该元件将停止使用并做报废处理。研究表明，在光学元件表面损伤点尺寸较小时，若采用先进处理手段对表面烧蚀材料、裂纹、凹坑等多种形式缺陷进行修复去除，可以大大缓解初始损伤点的增长行为，进而延缓光学元件的使用寿命并大大降低大型激光核聚变装置的运行成本。因此，强激光光学元件表面激光损伤的修复或损伤增长缓解技术具有重要的工程实用价值。

国际上通过对比晶体元件CO₂激光熔融、水溶解刻蚀、超短脉冲激光烧蚀、微机械加工去除等修复技术后认为，精密微机械修复是大口径KDP晶体元件最有前景的一种修复方法。在采用微机械加工方法对晶体表面损伤点进行修复时，修复加工工艺(尤其是工艺流程、走刀路径、加工参数等)对修复表面质量和修复效率具有决定性的作用。现有技术中没有提出针对大口径KDP晶体元件表面激光损伤的精密、高效微铣削修复方法。

发明内容

本发明是为了解决软脆KDP晶体元件表面激光损伤点修复时修复轮廓单一、修复表面质量差、效率低等问题，进而提供了一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，所述方法的实现过程为：

步骤1.根据KDP晶体表面激光损伤程度与损伤点形貌特征设计合适的激光“友好型”损伤修复轮廓，根据修复轮廓的控制方程建立修复点的几何模型(修复轮廓模型)；

步骤2.根据修复轮廓的特点与KDP晶体修复表面质量要求，选取并定义一种精密微修复用的加工刀具；

步骤3.以已建立的修复轮廓模型为基础，根据粗加工阶段快速去除损伤点的工艺原则，规划微铣削修复时初始粗加工走刀轨迹，创建粗加工修复工序；

步骤4.在粗加工修复轮廓的基础上，以保证修复轮廓精度和表面质量为原则，选取精加工修复时刀具轨迹驱动方式和工艺参数，规划精加工修复走刀轨迹，创建精加工修复工序；

步骤5.将由刀路轨迹计算获得的刀路源文件转换为通用的数控加工NC代码，将NC代码转换为修复机床控制器可识别的加工程序文件，并对其进行空载试切仿真实验以验证是否满足加工刀轨安全性和准确性要求，若是，执行步骤6；否则，对粗加工和精加工走刀轨迹和工艺参数进行调整，返回步骤3；

步骤6.利用已验证的粗、精加工NC代码，在KDP晶体修复机床上进行精密微铣削修复实验，实现不同激光“友好型”修复轮廓的高效、高质量加工。

进一步地，步骤1中所述的激光“友好型”损伤修复轮廓主要包括高斯型、半球型和椭球型三种形式，所述三种形式的修复轮廓是根据KDP晶体表面激光损伤点形貌、尺寸和分布情况而设计的，

高斯型针对损伤点面积大而深度小(烧蚀形式)的损伤表面修复情况，

半球型针对损伤点深宽比大(凹坑、裂纹等形式)的损伤表面修复情况，

椭球型针对损伤点长宽比大(划痕、剥落等形式)的损伤表面修复情况，

通过有针对性地设计修复轮廓，可在保证损伤点彻底去除的同时，最大限度地降低元件修复面积所占比例；

根据修复轮廓的控制方程建立修复点的几何模型是采用商用计算机辅助设计/制造软件UG 8.0实体建模模块来实现的。

进一步地，步骤2中选取的修复用加工刀具为立方氮化硼(CBN)球头微铣刀。

进一步地，步骤3、4中所述的粗、精修复加工走刀轨迹和工序是采用商用计算机辅助设计/制造软件UG 8.0加工模块来实现的；

刀路轨迹的坐标数值由加工坐标系下的相对位置确定，在编辑机床加工坐标系参数时Z轴的正负向选择应考虑晶体修复加工时刀具进刀方向；

粗、精修复加工走刀轨迹和加工工序的建立是基于各自加工模式、切削模式、切削死点来确定的，并对走刀步距、加工余量和精度、进退刀类型和参数进行设置。

进一步地，步骤5中所述的将由刀路轨迹计算获得的刀路源文件转换为通用的数控加工NC代码是由UG 8.0软件的后置处理器实现的，将NC代码转换为修复机床控制器可识别的加工程序文件是由KDP晶体修复机床所采用的Newport公司生产的XPS-Q4控制器自带GCODE软件来实现。

进一步地，步骤6所述的KDP晶体修复机床能实现430mm×430mm的KDP晶体元件表面缺陷点的快速扫描与精密微铣削修复。

进一步地，高斯型修复轮廓的控制方程如下：

其中，z和x分别表示修复轮廓上的任意一点的X轴和Z轴坐标值；R和H分别为修复轮廓的半径和修复深度；H₀为高斯型修复轮廓的截断深度，设置截断深度是为了让高斯型修复轮廓与X轴相交从而形成封闭的修复轮廓，从而实现修复轮廓的实体建模；

半球型修复轮廓的修复曲面的控制方程如下：

椭球型修复轮廓的修复曲面的控制方程如下：

其中，R₁和R₂分别为椭球型修复轮廓的长半轴和短半轴长，由待修复损伤点长度和宽度决定；y表示修复轮廓上的任意一点的Y轴坐标值；

将由控制方程获得的三类激光“友好型”修复曲面实体与毛坯基体做“求差”布尔运算，即可得到待修复轮廓的三维几何模型。

本发明的有益效果是：

本发明提出的针对大口径KDP晶体元件表面激光损伤的精密、高效微铣削修复工艺方法，能延缓晶体元件表面激光损伤点的增长行为，达到提高该类晶体元件抗激光损伤能力并延缓其使用寿命的目的。本发明可在保证修复效率的同时，实现不同修复轮廓的高表面质量加工，加工获得的修复表面极大地恢复了KDP晶体元件损伤后的抗激光损伤能力，从而延长了工程中晶体元件的使用寿命。本发明适于对昂贵、软脆KDP晶体表面激光损伤点的粗、精加工相结合的精密微铣削修复。

优点表现在以下几个方面：

(1)该工艺方法采用粗铣加工快速去除晶体表面激光损伤材料，并利用精铣加工优化修复表面质量，可实现大口径晶体元件损伤表面的高效、高质量修复去除，修复后晶体表面粗糙度Ra可达40nm；

(2)在实际修复加工前对加工程序进行试切验证，可有效避免刀具与机床的干涉、刀轨窜动、加工代码错误等严重问题，提高了修复加工代码的安全性和准确性；

(3)经粗、精微铣削修复后可将KDP晶体表面激光损伤点彻底去除，从而成功缓解了初始损伤点在后续激光辐照下的急剧增长行为；

(4)本发明可实现不同类型修复轮廓的可控加工，修复后表面可将元件的抗激光损伤能力恢复至与未损伤元件相近水平(激光损伤阈值最高恢复至完美晶体元件的90.7％)，即采用微铣削修复方法可实现昂贵、大口径KDP晶体元件的循环使用，降低激光核聚变工程的运行成本。

附图说明

图1是本发明大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法的流程框图；图2为高斯型修复形貌轮廓曲线及其尺寸参数示意图；图3是半球型修复形貌轮廓曲线及其尺寸参数示意图；图4是椭球型修复形貌轮廓曲线及其尺寸参数示意图；图5是粗铣修复加工预置的底端余量(左)和侧边余量(右)示意图；图6是KDP晶体表面激光“友好型”修复轮廓的粗加工切削刀轨示意图，图中：(a)为高斯型修复轮廓，(b)为椭球型修复轮廓，(c)为半球型修复轮廓；图7是KDP晶体表面激光“友好型”修复轮廓的精加工切削刀轨示意图，图中：(a)为高斯型修复轮廓，(b)为椭球型修复轮廓，(c)为半球型修复轮廓；图8为KDP晶体表面激光损伤点修复加工实验用球头双刃微铣刀图，图中：(a)为修复用球头微铣刀，(b)为刀具特征参数示意图；图9为KDP晶体表面直径600μm，深20μm的高斯修复轮廓形貌图，图中：(a)为修复轮廓二维形貌图，(b)为修复轮廓三维形貌与截面图；图10为KDP晶体表面直径600μm，深20μm的高斯修复轮廓粗糙度检测结果图；图11为KDP晶体表面长轴直径1000μm，短轴直径500μm，深20μm的椭球型修复轮廓形貌图，图中：(a)为修复轮廓二维形貌图，(b)为修复轮廓三维形貌与截面图；图12为长轴直径1000μm，短轴直径500μm，深20μm椭球型修复轮廓粗糙度检测结果图；图13为KDP晶体表面直径800μm，深30μm的半球型修复轮廓形貌图，图中：(a)为修复轮廓二维形貌图，(b)为修复轮廓三维形貌与截面图；图14为KDP晶体表面直径800μm，深30μm的半球型修复轮廓粗糙度检测结果图；图15为KDP晶体不同特征表面的激光损伤阈值检测结果对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至图15所示，本实施方式所述的大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法的实现过程为：

步骤1.根据KDP晶体表面激光损伤程度与损伤点形貌特征设计合适的激光“友好型”损伤修复轮廓，根据修复轮廓的控制方程建立修复点的几何模型；

步骤1中所述的激光“友好型”损伤修复轮廓主要包括高斯型、半球型和椭球型三种形式，这三种形式的修复轮廓是根据KDP晶体表面激光损伤点形貌、尺寸和分布情况而设计的，分别针对损伤点面积大而深度小(烧蚀形式)、损伤点深宽比大(凹坑、裂纹等形式)以及损伤点长宽比大(划痕、剥落等形式)的损伤表面修复情况，有针对性的设计不同修复轮廓可在保证损伤点彻底去除的同时，最大限度地降低元件修复面积所占比例。根据修复轮廓的控制方程建立修复点的几何模型是采用商用计算机辅助设计/制造软件UG 8.0实体建模模块来实现的。

步骤2.根据修复轮廓的特点与KDP晶体修复表面质量要求，选取并定义一种精密微修复用的加工刀具；步骤2中选取的修复用加工刀具为立方氮化硼(CBN)球头微铣刀，该刀具可实现KDP晶体区域轮廓型修复表面的塑性域加工，在保证加工表面质量的同时可有效避免刀具快速磨损问题。

步骤3.以已建立的修复轮廓模型为基础，根据粗加工阶段快速去除损伤点的工艺原则，规划微铣削修复时初始粗加工走刀轨迹，创建粗加工修复工序；

步骤4.在粗加工修复轮廓的基础上，以保证修复轮廓精度和表面质量为原则，选取精加工修复时刀具轨迹驱动方式和工艺参数，规划精加工修复走刀轨迹，创建精加工修复工序；

步骤3、4中所述的粗、精修复加工走刀轨迹和工序是采用商用计算机辅助设计/制造软件UG 8.0加工模块来实现的。刀路轨迹的坐标数值由加工坐标系下的相对位置确定，由于晶体修复加工时刀具进刀方向为由下而上，因此在编辑机床加工坐标系参数时需特别注意Z轴的正负向选择。粗、精修复加工走刀轨迹和加工工序的建立需考虑各自加工模式、切削模式、切削死点等问题，并对走刀步距、加工余量和精度、进退刀类型和参数等进行设置。

步骤5.将由刀路轨迹计算获得的刀路源文件转换为通用的数控加工NC代码，将NC代码转换为修复机床控制器可识别的加工程序文件，并对其进行空载试切仿真实验以验证是否满足加工刀轨安全性和准确性要求，若是，执行步骤6；否则，对粗加工和精加工走刀轨迹和工艺参数进行调整，返回步骤3；步骤5中所述的将由刀路轨迹计算获得的刀路源文件转换为通用的数控加工NC代码是由UG 8.0软件的后置处理器实现的。将NC代码转换为修复机床控制器可识别的加工程序文件是由KDP晶体修复机床所采用的Newport公司生产的XPS-Q4控制器自带GCODE软件来实现。

步骤6.利用已验证的粗、精加工NC代码，在KDP晶体修复机床上进行精密微铣削修复实验，实现不同激光“友好型”修复轮廓的高效、高质量加工。

步骤6所述的KDP晶体修复机床是自行研制的大口径KDP晶体表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置(申请号：201310744691.1)，该机床可实现430mm×430mm的KDP晶体元件表面缺陷点的快速扫描与精密微铣削修复。

实施例及对本发明方法的验证：

KDP晶体元件表面激光损伤点的微铣削修复工艺方法实例分析，利用上述方法按照图1所示的流程，开展对KDP晶体表面损伤点微铣削修复功能的验证工作。

1)激光“友好型”修复模型的建立

通过光学仿真计算可知，激光“友好型”的修复轮廓主要包括高斯型、半球型和椭球型三种形式，他们分别针对损伤点面积大而深度小(烧蚀形式)、损伤点深宽比大(凹坑、裂纹等形式)以及损伤点长宽比大(划痕、剥落等形式)的损伤点修复情况。在UG 8.0实体建模模块根据修复点轮廓的控制方程便可得到修复轮廓形貌，与切削晶体毛坯之间做“求差”布尔运算，便可建立所需的修复轮廓模型。

高斯型修复轮廓的控制方程如下：

其中，z和x分别表示修复轮廓上的任意一点的X轴和Z轴坐标值；R和H分别为修复轮廓的半径和修复深度；H₀为高斯型修复轮廓的截断深度，设置截断深度是为了让高斯型修复轮廓与X轴相交从而形成封闭的修复轮廓，从而实现修复轮廓的实体建模。一般取H₀＝0.1H，此时高斯曲线的截断部分相对修复深度很小，并且极其平滑，因此并不会影响高斯修复轮廓的整体形貌。获得的高斯型修复轮廓曲线及其尺寸参数如图2所示，将高斯型轮廓曲线绕Z轴旋转即可获得高斯型修复形貌的实体。

半球型修复轮廓主要是针对较深损伤点的修复而设计的，其修复曲面的控制方程如下：

半球型修复形貌轮廓曲线及其尺寸参数示意图如图3所示。

椭球型修复轮廓主要是针对长宽比较大的损伤点的修复而设计的，尤其是划痕类损伤点，其修复曲面的控制方程如下：

其中，R₁和R₂分别为椭球型修复轮廓的长半轴和短半轴长，由待修复损伤点长度和宽度决定。椭球型修复形貌轮廓曲线及其尺寸参数示意图如图4所示。

将由控制方程获得的三类激光“友好型”修复曲面实体与毛坯基体做“求差”布尔运算，即可得到待修复轮廓的三维几何模型。

2)微铣削修复加工刀具的选择

球头铣刀切削刃的刀心轨迹与加工表面等距，刀轴方向会随铣削表面的变化而变化，因此被广泛用于三维轮廓铣加工领域。鉴于KDP晶体元件修复形貌多为区域轮廓型，故选择球头铣刀对各修复轮廓曲面进行加工。同时，为了实现软脆KDP晶体材料的塑性域切削，需选取硬度较高的刀具材料。综合考虑刀具使用的经济性与铣削质量，选择立方氮化硼CBN材质的微铣刀进行修复加工。

在KDP晶体实际修复加工时，由于晶体材料自身的软脆、易潮解等特性，工件装卸十分不便，应尽量一次性完成所有损伤点的修复，以减少换刀次数并提高加工效率。因此，刀具使用寿命对修复质量有重要影响。结合所设计的激光“友好型”修复模型尺寸，选择0.5mm直径的球头微铣刀进行修复加工，可有效避免刀头直径过小而引起的刀具快速磨损问题。

3)粗加工修复走刀轨迹规划

在进行加工修复走刀轨迹规划时，首先应编辑机床坐标系，根据实际切削情况将安全平面与切削表面之间的“安全距离”值设置为0.5mm，以缩短进退刀时间，保证加工效率。粗加工修复走刀轨迹规划的具体步骤如下：

3-1选择“型腔铣”加工模式，其加工特点是根据型腔形貌，将Z轴方向划分为多个加工层面，刀具逐层切削出目标轮廓。在进行刀路轨迹规划时，应指定加工部件与切削区域，同时将刀轴方向设置为加工坐标系Z轴负向，以满足机床主轴进给的实际加工方向要求。

3-2设置切削模式为“跟随部件”，该模式会根据加工区域几何特征生成一系列同心线，并将这些同心线设定为实际走刀轨迹，同心线之间的宽度距离(即走刀间距)设置为40μm，以保证粗加工既能尽快去除型腔内部材料，而又不过多影响加工表面质量。

3-3设置切削用量，在保证切削刀具不因受力较大而发生震颤变形的前提下，为了缩短加工时间，应结合修复深度尽可能选择较大铣削深度，对于典型修复深度30μm，铣削深度选择为3μm。

采用球头刀具修复尺寸较小的修复点时易在修复底端形成切削死点，为了使后续精加工刀具能够有效去除底端材料，保证铣削效果，需合理设置粗加工的底部余量。对于加工轮廓侧边，同样需预留部分加工余量。加工余量过小会导致精加工修复效果不明显，过大则不能保证塑性域切削。图5为加工余量示意图，为获得一致加工表面，设置余量大小为3～6μm，公差范围在±0.05μm以内。

3-4进退刀方式设置

晶体修复时刀具为由内向外顺铣走刀，且加工精度高。为了避免曲线进刀对拟加工表面的误切而影响修复表面质量，选取线性进刀方式。退刀与进刀方式设置相同，实际将进刀距离设置为0.2mm，默认进刀速度设置为0.3mm/s，可减小线性进刀对刀具及晶体造成的冲击。

按照上述步骤设置后，可计算并生成不同修复模型的粗加工修复刀路轨迹，如图6所示。深蓝色刀轨表示快速进、退刀，黄、白色刀轨分别为线性进刀和线性退刀，而青色同心曲线为实际切削轨迹，不同切削层之间相互平行。该粗加工修复刀轨可最大限度降低进退刀非切削加工时间，同时将修复区内材料迅速去除，保证了微铣削修复的加工效率。

4)精加工修复走刀轨迹规划

精加工修复是对粗加工工序预置的材料余量进行切削去除，以实现对加工表面质量的优化，精加工修复走刀轨迹规划的具体步骤如下：

4-1将精加工修复设置为“固定轮廓铣”模式，该铣削方式被广泛应用于曲面轮廓的半精加工或精加工程序中，通过选择不同驱动方式可以获得不同的刀路导向点，将这些点投影至待加工曲面即可获得所需的走刀轨迹。

4-2选择驱动方式，对于高斯型和半球型修复轮廓，选取“螺旋式”精加工驱动方式，该驱动方式以螺旋线的形式逐圈向外过渡至加工轮廓边缘。该方式的行间转换为光滑连接，且切削量与切削速度均为恒定值，有利于KDP晶体的高速精密铣削修复，将修复轮廓底层端点设置为螺旋中心点，根据高斯型轮廓最外圈尺寸设置最大螺旋半径。对于椭球型修复轮廓则选取“区域铣削”驱动方式，该方式可只根据指定的切削区域计算刀路，无需选择部件几何体，在该驱动方式下选择直线往复的切削模式。

4-3设置切削用量，为达到修复模型实际尺寸要求，将精加工修复的余量设置为0，公差范围控制在±0.01μm以内。

4-4进退刀方式设置，进退刀类型与粗加工修复类似，设置为线性进、退刀，切削方向为顺铣。

按照上述步骤最终生成的精加工修复刀路轨迹如图7所示，由图可知相同走刀间距下高斯及半球修复模型的精加工刀轨各圈之间为连续过渡，走刀步长均匀。椭球型修复模型各处轮廓曲率不同，较难获得一致走刀步长，进而会对刀轨精度有一定影响。

5)修复加工代码转换与加工过程仿真验证

基于UG 8.0软件自带的后置处理器将上述刀路计算产生的刀路源文件转换为数控机床可识别的NC代码。在该转换过程中，由于修复刀轨形式单一，为了提高转换效率，粗加工修复代码中取消圆弧插补。同时，因粗加工程序对加工精度要求不高，故将最小坐标数值精度设置为1μm，而精加工最小坐标数值精度设置为0.1μm。此外，精加工修复代码中直接采用螺旋插补功能以避免直线插补引起的加工代码冗长问题。

将后置处理获得的G代码进行可行性仿真验证，以检查刀具与机床间干涉碰撞问题及走刀轨迹准确性。利用KDP晶体修复机床控制器自带的XPS-GCODE软件，将NC代码转换为控制器可识别的PVT及TCL文件，PVT文件用于储存刀路实际驱动点位置信息，它直接决定代码转换后的走刀路线，而TCL文件为运行程序指令，它通过调用PVT文件实现各轴运动。在对加工代码进行空载试切仿真实验中，若刀具走刀路线出现异常，停止修复系统运行并修正代码转换参数，最终获得一套具有较高安全性与准确性的代码转换参数，即：运动轨迹加速度≤20mm/s²，角度最大间断值取20，步长取2.5，位置坐标小数位数取6，快速进刀速度取0.6mm/s。

6)修复加工实验与修复能力验证

按照上述步骤便可获得经验证后的KDP晶体表面激光“友好型”修复轮廓的加工代码，利用自行研制的KDP晶体微铣削修复机床进行修复加工实验。修复加工所使用的CBN微铣刀如图8所示，刀具参数见表1。

表1修复加工用CBN球头微铣刀参数列表

对于高斯型修复轮廓，其修复模型参数和数控加工工艺参数如表2所示，高斯修复轮廓的直径为2R＝600μm，修复深度为H＝20μm，粗、精加工主轴转速均选取为4.78×10⁴rpm。经过粗、精加工修复后获得的高斯型修复轮廓采用超景深三维立体显微系统(型号：VHX1000E)检测结果如图9所示。

表2高斯型修复轮廓的结构参数及其数控加工工艺参数

由图9可知，高斯型修复表面走刀痕迹清晰，无脆性破裂点产生，三维形貌轮廓明显，且修复边缘过渡平缓，修复点几何尺寸(直径和深度)准确，加工精度较高。图10中采用Taylor Hobson轮廓仪对高斯型修复表面粗糙度的测量结果表明，修复表面粗糙度可达34.4nm，满足微机械修复对表面质量的要求。上述结果证明了本工艺方法加工高斯型修复轮廓的有效性。

对于椭球型修复轮廓，其修复模型参数和数控加工工艺参数如表3所示，修复轮廓长轴直径为2R₁＝1000μm，短轴直径为2R₂＝500μm，修复深度为H＝20μm，粗、精加工主轴转速均选取为4.78×10⁴rpm。经过粗、精加工修复后获得的椭球型修复轮廓采用超景深三维立体显微系统(型号：VHX 1000E)检测结果如图11所示。

表3椭球型修复轮廓的结构参数及其数控加工工艺参数

由图11可知，椭球型修复表面走刀间距均匀，且均为塑性域切削，形貌轮廓标准。图12中采用Taylor Hobson轮廓仪对椭球型修复表面粗糙度的测量结果表明，修复表面粗糙度可达23.4nm，满足微机械修复对表面质量的要求。从而证明了本工艺方法加工椭球型修复轮廓的有效性。

对于半球型修复轮廓，其修复模型参数和数控加工工艺参数如表4所示，半球型修复轮廓的直径为2R＝800μm，修复深度为H＝30μm，粗、精加工主轴转速均选取为4.78×10⁴rpm。经过粗、精加工修复后获得的半球型修复轮廓采用超景深三维立体显微系统(型号：VHX 1000E)检测结果如图13所示。

表4半球型修复轮廓的结构参数及其数控加工工艺参数

由图13可知，半球型修复表面光滑，三维轮廓清晰，图14中采用Taylor Hobson轮廓仪对半球型修复表面粗糙度的测量结果表明，修复表面粗糙度可达29.5nm，满足微机械修复对表面质量的要求。该结果证明了本工艺方法加工半球型修复轮廓的有效性。

将无激光损伤的完美晶体表面、带初始损伤点表面以及采用本修复工艺方法加工获得的修复表面在532nm波长，10ns脉宽的激光环境下进行激光损伤阈值测试实验。损伤阈值测试中入射激光采用R-on-1辐照方式，即：对不同特征表面进行激光辐照时，激光能量逐渐提升，当表面出现损伤时对应的激光能量密度即为该特征表面的损伤阈值。为了方便修复表面与无损伤表面抗激光损伤能力对比，取待检测表面与无损伤表面损伤阈值的比值为相对激光损伤阈值。不同特征表面的激光损伤阈值检测结果如图15所示。由图可知，KDP表面初始损伤点的存在使得晶体元件的激光损伤阈值降低至31.2％，而采用本发明工艺方法将初始损伤点修复后，可将其激光损伤阈值最高恢复至完美晶体元件的90.7％。从而证实了本修复工艺方法对提高晶体元件抗激光损伤能力的有效性。

上述步骤使用本发明的工艺流程，实现了KDP晶体元件表面激光损伤点的高效、高质量修复去除，提升了其抗强激光损伤能力。

Claims (7)

1.一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，其特征在于：所述方法的实现过程为：

步骤1.根据KDP晶体表面激光损伤程度与损伤点形貌特征设计合适的激光“友好型”损伤修复轮廓，根据修复轮廓的控制方程建立修复点的几何模型；

步骤2.根据修复轮廓的特点与KDP晶体修复表面质量要求，选取并定义一种精密微修复用的加工刀具；

步骤3.以已建立的修复轮廓模型为基础，根据粗加工阶段快速去除损伤点的工艺原则，规划微铣削修复时初始粗加工走刀轨迹，创建粗加工修复工序；

步骤4.在粗加工修复轮廓的基础上，以保证修复轮廓精度和表面质量为原则，选取精加工修复时刀具轨迹驱动方式和工艺参数，规划精加工修复走刀轨迹，创建精加工修复工序；

步骤5.将由刀路轨迹计算获得的刀路源文件转换为通用的数控加工NC代码，将NC代码转换为修复机床控制器可识别的加工程序文件，并对其进行空载试切仿真实验以验证是否满足加工刀轨安全性和准确性要求，若是，执行步骤6；否则，对粗加工和精加工走刀轨迹和工艺参数进行调整，返回步骤3；

步骤6.利用已验证的粗、精加工NC代码，在KDP晶体修复机床上进行精密微铣削修复实验，实现不同激光“友好型”修复轮廓的高效、高质量加工。

2.根据权利要求1所述的一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，其特征在于：

步骤1中所述的激光“友好型”损伤修复轮廓主要包括高斯型、半球型和椭球型三种形式，所述三种形式的修复轮廓是根据KDP晶体表面激光损伤点形貌、尺寸和分布情况而设计的，

高斯型针对损伤点面积大而深度小的损伤表面修复情况，

半球型针对损伤点深宽比大的损伤表面修复情况，

椭球型针对损伤点长宽比大的损伤表面修复情况，

通过有针对性地设计修复轮廓，可在保证损伤点彻底去除的同时，最大限度地降低元件修复面积所占比例；

根据修复轮廓的控制方程建立修复点的几何模型是采用商用计算机辅助设计/制造软件UG 8.0实体建模模块来实现的。

3.根据权利要求2所述的一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，其特征在于：

步骤2中选取的修复用加工刀具为立方氮化硼球头微铣刀。

4.根据权利要求3所述的一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，其特征在于：

步骤3、4中所述的粗、精修复加工走刀轨迹和工序是采用商用计算机辅助设计/制造软件UG 8.0加工模块来实现的；

刀路轨迹的坐标数值由加工坐标系下的相对位置确定，在编辑机床加工坐标系参数时Z轴的正负向选择应考虑晶体修复加工时刀具进刀方向；

粗、精修复加工走刀轨迹和加工工序的建立是基于各自加工模式、切削模式、切削死点来确定的，并对走刀步距、加工余量和精度、进退刀类型和参数进行设置。

5.根据权利要求4所述的一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，其特征在于：

步骤5中所述的将由刀路轨迹计算获得的刀路源文件转换为通用的数控加工NC代码是由UG 8.0软件的后置处理器实现的，将NC代码转换为修复机床控制器可识别的加工程序文件是由KDP晶体修复机床所采用的Newport公司生产的XPS-Q4控制器自带GCODE软件来实现。

6.根据权利要求5所述的一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，其特征在于：

步骤6所述的KDP晶体修复机床能实现430mm×430mm的KDP晶体元件表面缺陷点的快速扫描与精密微铣削修复。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种大口径KDP晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法，其特征在于：

高斯型修复轮廓的控制方程如下：

其中，z和x分别表示修复轮廓上的任意一点的X轴和Z轴坐标值；R和H分别为修复轮廓的半径和修复深度；H₀为高斯型修复轮廓的截断深度，设置截断深度是为了让高斯型修复轮廓与X轴相交从而形成封闭的修复轮廓，从而实现修复轮廓的实体建模；

半球型修复轮廓的修复曲面的控制方程如下：

椭球型修复轮廓的修复曲面的控制方程如下：

其中，R₁和R₂分别为椭球型修复轮廓的长半轴和短半轴长，由待修复损伤点长度和宽度决定；y表示修复轮廓上的任意一点的Y轴坐标值；

将由控制方程获得的三类激光“友好型”修复曲面实体与毛坯基体做“求差”布尔运算，即可得到待修复轮廓的三维几何模型。