基于PSD方法的KDP晶体超光滑表面表征技术研究

论文摘要

在惯性约束聚变固体激光驱动器、强激光武器及核武器等关键设备所需的众多光学元器件中,KDP晶体作为一种优质的非线性材料,被广泛的应用于激光和非线性光学领域。大尺寸高精度光学KDP晶体零件的是目前公认的最难加工的光学零件之一,它的加工周期长,本身具有质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感、易开裂等一系列不利于光学加工的特点。超精密金刚石单点切削是获得高质量KDP晶体表面的主要加工方式,但加工后的KDP晶体表面会产生小尺度波纹,而KDP晶体激光损伤阈值是表面粗糙度的函数,激光损伤阈值随着表面粗糙度的减小而增大,传统粗糙度表征方法忽略了纵向和横向的表面空间信息分布,因此对KDP晶体已加工表面空间频率进行定量化分析是十分重要的一项工作。本文将功率谱密度与二维连续小波变换相结合,实现了对空间频率的提取,并且通过对功率谱密度的计算,得到了特定空间频率对表面微观形貌的影响程度,找出影响表面质量的主要因素,为从表面空间频率角度来改进加工工艺提供了可能。通过二维连续小波变换可以将特定空间频率在表面轮廓上的位置进行还原,验证了功率谱密度对空间频率的分析结果,并且直观的描述了小尺度波纹对表面微观形貌的影响,为研究小尺度波纹与KDP激光损伤阈值之间关系奠定了基础。通过比较分析揭示了功率谱密度较传统粗糙度表正参数为表面质量评价提供了纵向和横向方向上的空间信息分布,并且可以较粗糙度表征参数对测量仪器测量范围和取样周期有着更好的适应性。最后结合KDP晶体超精密车削实验中利用白光干涉仪(CCI)测量得到的表面微观轮廓数据,对不同的切削参数进行了功率谱密度的比较分析,发现了切削参数对已加工表面空间频率的影响规律,并且得到了特定空间频率对表面微观形貌的影响程度,对特定空间频率在表面上的位置进行了还原,为研究继续研究切削参数及其他加工因素与小尺度波纹之间的关系奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 KDP晶体在惯性约束核聚变中的应用
• 1.3 国内外表面分析方法的研究现状
• 1.3.1 三维表征参数
• 1.3.2 小波方法
• 1.3.3 功率谱密度
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 表面轮廓功率谱密度的建模分析
• 2.1 功率谱密度的相关概念
• 2.1.1 表面轮廓函数
• 2.1.2 表面轮廓自相关函数
• 2.1.3 双向反射分布函数
• 2.2 表面轮廓功率谱密度
• 2.2.1 功率谱密度的定义
• 2.2.2 微观轮廓PSD
• 2.2.3 波面PSD
• 2.2.4 微观轮廓PSD和波面PSD的比较
• 2.3 功率谱密度的量纲单位及物理内涵
• 2.3.1 量纲单位
• 2.3.2 功率谱密度与均方根值（RMS）之间关系
• 2.3.3 PSD曲线中包含的信息
• 2.4 PSD的求取
• 2.4.1 非平均PSD（unaveraged power spectral density）
• 2.4.2 平均PSD（averaged power spectral density）
• 2.4.3 一维PSD与二维PSD的计算关系
• 2.5 国际标准中PSD测量结果的评价
• 2.6 本章小结
• 第3章 KDP晶体超精密车削表面功率谱密度表征
• 3.1 功率谱密度表征的程序设计
• 3.1.1 功率谱密度表征的程序设计框图
• 3.1.2 二维连续小波变换方法介绍
• 3.2 KDP晶体超精密车削表面功率谱密度表征
• 3.2.1 功率谱密度与传统表征方法的比较
• 3.2.2 不同取样范围的功率谱密度对比
• 3.2.3 不同取样周期的功率谱密度对比
• 3.2.4 表面空间频率信息的提取及分析
• 3.2.5 特定空间频率表面对应形貌的还原
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于PSD分析的KDP晶体超精密车削表面实验研究
• 4.1 实验条件
• 4.1.1 超精密车削实验环境及条件
• 4.2 KDP晶体超精密车削中切削用量的影响
• 4.2.1 切削深度ap的影响分析
• 4.2.2 进给量f的影响分析
• 4.2.3 主轴转速n的影响分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢