비수성 슬러리를 사용한 유체 제트 연마를 사용하여 인산이수소칼륨의 자유형 마감 표면의 성능 특성화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6524(2023) 이 기사 인용

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인산이수소칼륨(KDP)과 중수소화 아날로그(DKDP)는 고출력 레이저 시스템을 위한 독특한 비선형 광학 소재입니다. 이는 융합 등급 레이저 시스템에 적합한 조리개에서 광학 품질 결정을 성장시키는 능력 덕분에 주파수 변환 및 편광 제어에 널리 사용됩니다. KDP/DKDP 광학 장치의 자유형 계산을 위한 기존 방법은 높은 피크 출력 레이저 시스템의 자외선 부분에서 작동하기에 충분한 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)을 가진 표면을 생성하지 않습니다. 본 연구에서는 자유형 KDP 표면을 생성하기 위한 하위 조리개 마무리 방법으로 비수성 슬러리를 사용하는 유체 제트 연마(FJP)를 조사합니다. 이 방법은 0.16μm에서 5.13μm 범위의 제거를 통해 동일한 기판에서 표면 영역을 다양한 깊이로 선택적으로 연마하는 데 사용되었습니다. 마감된 표면은 제거 깊이가 증가함에 따라 거칠기가 약간 증가하고 파손 구멍도 적었습니다. 351 nm, 1 ns 펄스를 사용한 레이저 손상 테스트에서는 탁월한 표면 손상 임계값이 입증되었으며 균열 구멍이 없는 영역에서 가장 높은 값이 나타났습니다. 이 연구에서는 미터 크기의 광학 장치로 확장할 수 있는 맞춤형 편광 무작위화를 제공하는 파장판을 제작할 수 있는 방법을 처음으로 보여줍니다. 또한 이 방법은 KDP와 함께 사용하도록 특별히 설계된 비수성 슬러리를 포함하는 FJP 기술을 기반으로 합니다. 이 새로운 비수성 FJP 공정은 부드러움, 취성, 수용성 및 온도 민감도와 같은 유사한 까다로운 고유 특성을 나타내는 다른 유형의 재료를 파악하는 데에도 사용할 수 있습니다.

인산이수소칼륨(KDP)과 중수소화 아날로그 DKDP는 모두 주파수 변환, 편광 평활화 및 전기광학 스위칭에 사용되는 대구경, 고피크 전력 레이저 시스템에서 중요한 광학 소재입니다. 큰 비선형 광학 계수, 높은 LIDT(레이저 유도 손상 임계값) 및 상당한 광학 활성2,3으로 인해 KDP 및 DKDP는 국립 점화 시설(NIF, 미국)과 같은 융합 등급 레이저 시스템에 없어서는 안될 재료입니다. Laser Energetics의 Omega Laser Facility 연구소(LLE, 미국)4. 그러나 광학 품질 KDP 표면의 제조는 재료의 높은 수용성, 취성, 부드러움 및 온도 감도로 인해 매우 어렵습니다5. 이러한 특성으로 인해 KDP 및 DKDP의 상업적 마무리는 단일 지점 다이아몬드 선삭과 비수성 냉각액 및 슬러리를 사용하는 평면의 기존 랩 연마로 제한됩니다6,7. 최근에는 KDP의 다양한 서브 조리개 마무리 방법에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 안정적이고 정확도가 높은 하위 조리개 제거 프로세스를 통해 이 재료의 자유로운 표면 형상을 얻을 수 있습니다. 결과적으로, 이는 선형 편광 빔의 편광 혼합(평활화)뿐만 아니라 광학 평면의 파면 보정을 위한 공간적으로 가변적인 지연을 갖는 파장판과 같은 새로운 광학 요소의 제작을 가능하게 합니다. 연구된 하위 조리개 방법의 특성은 상당히 다양하며 MRF(자기유변 마무리), 하위 조리개 연마, IBF(이온 빔 형상화), 초정밀 연삭 및 무연마제 제트 연마가 포함됩니다8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18. 유망하긴 하지만 이러한 방법은 가열로 인한 균열 형성(IBF) 및 철 오염(MRF)과 같은 다양한 결함을 생성할 수 있으며 이는 자외선 영역에서 높은 레이저 출력을 견딜 수 있는 광학 장치의 능력을 약화시킵니다8,9,13,15. 무연마제 제트 연마는 용해 메커니즘17,18에 의한 제거를 달성하기 위해 유체 제트에서 유중수형 마이크로에멀젼을 사용합니다. 이 방법은 하위 조리개이지만 우리의 경험에 따르면 마이크로에멀젼과 접촉하는 동안 재료 제거 및 결정 에칭이 빠르게 발생할 수 있습니다. 결과적으로, 유체 제트의 주요 충격 영역에서 멀리 떨어져 있지만 부주의하게 마이크로에멀젼에 노출된 표면적은 부정적인 영향을 받습니다. 따라서 고품질 자유곡면을 생성하는 이 방법의 능력은 심각하게 제한됩니다.