Yb:YAG激光晶體板條加工工藝研究*

戴龐達 竇仁勤 王小飛 張琦 陶煦

1. 皖江新興產業技術發展中心 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良的激光晶體，是固體激光器的核心工作物質。隨著固體激光技術的快速發展和對減小激光束熱透鏡效應和熱光畸變效應的迫切需求，激光晶體元件的形狀從棒狀發展到板條狀結構[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加工要求非常的嚴格，板條的元件的加工精度直接影響到激光器的輸出光束質量，而各種加工缺陷將造成晶體內部激光損耗，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“環拋檢測系統（編號：201907A03050004）”項目支持采購的環拋機、激光平面干涉儀、線切割機基礎上，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整瀝青去除，修刮平整。利用修正盤和磨料進行瀝青盤面形修正，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行板條預熱，板條溫度達到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，蠟慢慢滲透進板條，達到固定和保護板條的作用。將整個平板玻璃和板條放在單軸機上進行研磨。先采用W180碳化硼砂或者碳化硅沙進行磨平處理，同時采用刀口尺進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，引起拋光面產生新的劃痕。面形與厚度達到要求后，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；另一個大面重復以上步驟研磨到目標厚度尺寸，再拋光至兩面平行度優于5″，平面度優于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膠在大面上均勻涂一層，已達到保護作用。

3 板條兩個端面的加工

將板條側面放在平板玻璃上用直角玻璃塊體粘接，起到固定作用，用光學瞬時膠粘住縫隙，并依次灌蠟。側面的研磨與大面的研磨步驟相類似。第一側面在粗磨的過程中要保證側垂，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準，做歸零處理，打另外一邊。在保證面形的情況下，采用氨酯進行拋光，拋至檢測面形并小于2個波長，并保證側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膠在側面均勻涂一層，保護好板條。

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，側面再粘接條狀板條塊保護，圍成一個方形，先用光學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垂。研磨達到要求角度和側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，用聚氨酯拋光盤進行初拋至表面無麻點、無劃痕，并檢測側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起來。再用瀝青環拋機精修面型精度及光潔度。上述每步拋光完成時，都采用Zygo干涉儀進行面型檢測，如達不到目標參數，需進一步修正，直至檢測數據達標時將板條元件下盤，用丙酮浸泡至工裝分離，然后清洗干凈。經過上述研磨工藝，板條元件的兩個大面的平面度達到1/10波長。

5 結束語

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、側面、和斜角面的研磨拋光進行了詳細的研究，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，平面度達到1/10波長，本項目技術為實現超大尺寸高精度板條元件批量化加工提供了有效的技術途徑。