高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備

賴 敏

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室 天津300072)

高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備

賴 敏

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室 天津300072)

發展高端激光制造技術與裝備可促進我國傳統制造業轉型升級。由天津大學牽頭的國家重點研發項目“高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備”針對性能優良的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體生長工藝與集成裝備，及硬脆激光晶體的高效低損傷超精密磨削、拋光工藝與裝備等研發難題，開展晶體生長、加工工藝和裝備的重大共性關鍵技術研究。項目預期發展具有自主知識產權、國際先進水平的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體的生長工藝及裝備、加工工藝及裝備。研制出的高精度大徑厚比倍半氧化物激光晶體元件為高功率先進激光器提供核心元件，將會在增材制造、激光制造、信息產業等國家需求的重點領域開拓戰略性的新興產業。

激光制造 倍半氧化物晶體 高熔點 晶體生長 硬脆材料 超精密加工 表面完整性 高端裝備

0 引 言

由天津市科學技術委員會推薦，天津大學作為項目牽頭單位，聯合山東大學、同濟大學、哈爾濱工業大學、大連理工大學等10家相關高校、研究院和企業聯合申報的“高性能倍半氧化物激光晶體生長及制造工藝與裝備”項目獲得科技部國家重點研發計劃項目立項。

激光器作為激光制造及相關領域發展的核心器件，越來越廣泛地應用于制造、精密測量、科學探測、通訊與信息處理、醫療等各領域。發展高端激光制造技術與裝備可促進我國傳統制造業轉型升級，為我國高端制造業的發展提供必要的支撐。目前，我國的高端激光制造裝備與國外相比還有差距，研制光學性能優良的新型激光介質，突破激光晶體高效低損傷加工難題，獲得高性能激光器核心功能部件激光晶體元件，對推進我國激光制造業的發展，打破發達國家技術壁壘具有重大意義。以氧化镥為代表的倍半氧化物晶體因具有低聲子能量、高熱導率、高損傷閾值、高量子效率等優勢，是優質激光晶體的理想選擇之一，可為不同波段高功率先進激光器的開發提供理想的工作介質。然而，該類晶體生長熔點高達2,400,℃，晶體生長條件要求苛刻，設備要求極高。目前，國際上還沒有可生長高熔點(＞2,400,℃)倍半氧化物激光晶體的商品化單晶爐，也尚未獲得該類大口徑晶體的成熟生長工藝。為滿足高性能激光晶體元件的使用要求，需加工出超光滑、低損傷以及高面形精度的晶體表面，而作為一種新型的激光晶體材料，目前尚未見關于其超精密加工技術的研究。該類晶體具有硬脆特性，在加工過程中極易出現劃凹坑、破碎、微裂紋等多種損傷，影響其激光性能，其大徑厚比光學元件的超精密加工存在著巨大挑戰。

1 創新性工作及研發團隊

該項目針對性能優良的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體生長工藝與集成裝備，及硬脆激光晶體的高效低損傷超精密磨削、拋光工藝與裝備的研發難題，開展晶體生長、加工工藝和裝備的重大共性關鍵技術研究，主要研究目標包括：研發高熔點(＞2,400,℃)倍半氧化物晶體生長工藝和裝備，生長高質量激光晶體；建立倍半氧化物晶體加工損傷形成演變理論，探索低損傷超光滑表面的加工新方法；研發超精密磨削、拋光裝備和集成工藝，實現高表面完整性激光晶體元件加工。

項目團隊對高熔點倍半氧化物晶體生長方法及工藝開展了長期系統的研究，可突破晶體生長高熔點和低溫梯瓶頸，將晶體熔體法生長極限溫度從目前的2,000,℃提高至2,400,℃。提出PaE倍半氧化物晶體加工新方法，結合表面改性和刻蝕等理化結合實現晶體材料的高精度、低損傷、超光滑表面的加工，為倍半氧化物晶體元件高效加工提供有效途徑。針對高精度激光晶體元件加工監測的需要，項目組開展高分辨率表面/亞表面綜合參數原位測量方法研究，實現加工過程晶體表面幾何參數和加工損傷綜合參數的在線檢測和工藝水平的指導。基于晶體元件特點，項目組提出采用固結磨料雙面拋光與化學機械拋光相結合的超精密加工工藝以及高表面質量和高幾何精度的在位協調控制方法。

該項目參與單位包括天津大學測試計量技術及儀器國家重點實驗室、山東大學晶體材料國家重點實驗室、同濟大學先進微結構材料教育部重點實驗室、哈爾濱工業大學微結構制造教育部重點實驗室、大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室、天津市微納制造技術工程中心等國內激光晶體生長、超精密加工以及相關裝備研發的優勢力量。項目團隊現有973首席1人、長江學者2人、國家千人1人、國家杰青2人及國家自然科學基金委創新團隊2個。團隊具有豐富的晶體生長、光學晶體加工工藝及裝備的研發經驗，先后開展了藍寶石、YAG、GGG、KDP等晶體的生長及超精密磨拋加工理論和技術研究。

2 前景展望

通過該項目的實施，預期解決制約我國超高溫倍半氧化物激光晶體研制中生長工藝、加工工藝及裝備等瓶頸問題，發展具有自主知識產權、國際先進水平的大尺寸、高熔點倍半氧化物晶體的生長工藝及裝備、加工工藝及裝備，填補國內空白，使我國激光晶體生長和加工的局部優勢延伸和擴展。同時，突破發達國家在相關領域的技術壁壘，增強了我國制造用激光器領域的自主創新能力，確保我國在增材制造及激光制造領域的優勢地位，為具有我國自主知識產權和特色的全固態激光技術開拓提供堅實的基礎。項目預期培養一批中青年優秀學術骨干，研究領域涵蓋晶體生長、加工工藝及裝備制造技術。該項目研制出的高精度大徑厚比倍半氧化物激光晶體元件，為高功率先進激光器提供核心元件，將會在增材制造、激光制造、信息產業等國家需求的重點領域開拓戰略性的新興產業。■

［1］ 科技部. “增材制造與激光制造”重點專項2016年度項目申報指南[Z]. 國科發資〔2016〕69號.

［2］ 王霄，王東生，高雪松，等. 輕合金構件激光增材制造研究現狀及其發展[J]. 應用激光，2016(4)：478-483.

［3］ 何博文，喆冉先，田象軍，等. 激光增材制造TC11鈦合金的耐蝕性研究[J]. 中國激光，2016(4)：75-81.

The Technology and Equipment of Fabrication and Manufacture of High Performance Sesquioxides Crystals

LAI Min
(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology & Instruments，Centre of MicroNano Manufacturing Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Developing high-end laser manufacturing technology and equipment can promote the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry．The national key research and development program on the technology and equipment of the fabrication and manufacture of high performance sesquioxides crystals has been recently approved．Tianjin University takes the leadership in this national program．Aiming at the research and development of growth technology and relevant equipment of sesquioxides crystals with a large size and high melting point，as well as high-efficiency and low-damage ultra-precision grinding，polishing technology and equipment of the laser crystal that is hard and brittle，this project will carry out the research on key technology of crystal growth，processing technology and equipment．The implementation of this project is expected to develop growth，processing techniques and relevant equipment of producing sesquioxides crystals with a large size and high melting point．The sesquioxides laser crystal elements with high-precision and large radiusthickness can serve as the core element for advanced high-power lasers，which will open up emerging industries in areas like additive manufacturing，laser manufacturing and information technology.

laser manufacturing；sesquioxides crystals；high melting point；crystal growth；hard-brittle material；ultraprecision machining；surface integrity；high-end equipment

TH16

：A

：1006-8945(2016)12-0023-02

國家重點研發計劃(批準號：2016YFB1102200)資助項目。

2016-11-04