Caractérisation des performances des surfaces finies de forme libre du phosphate monopotassique par polissage par jet de fluide avec une suspension non aqueuse

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6524 (2023) Citer cet article

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Le dihydrogénophosphate de potassium (KDP) et son analogue deutéré (DKDP) sont des matériaux optiques non linéaires uniques pour les systèmes laser haute puissance. Ils sont largement utilisés pour la conversion de fréquence et le contrôle de polarisation en raison de leur capacité à faire croître des cristaux de qualité optique à des ouvertures adaptées aux systèmes laser de classe fusion. Les méthodes existantes pour la configuration de forme libre des optiques KDP/DKDP ne produisent pas de surfaces avec des seuils de dommages induits par le laser (LIDT) suffisants pour fonctionner dans la partie ultraviolette des systèmes laser à puissance de crête élevée. Dans ce travail, nous étudions le polissage par jet de fluide (FJP) utilisant une suspension non aqueuse comme méthode de finition sous-ouverture pour produire des surfaces KDP de forme libre. Cette méthode a été utilisée pour polir sélectivement des surfaces à différentes profondeurs sur le même substrat avec des enlèvements allant de 0,16 μm à 5,13 μm. Les surfaces finies ont présenté une légère augmentation de la rugosité à mesure que la profondeur d'enlèvement augmentait, ainsi qu'un petit nombre de piqûres de fracture. Les tests de dommages au laser avec des impulsions de 351 nm et 1 ns ont démontré d'excellents seuils de dommages de surface, avec les valeurs les plus élevées dans les zones dépourvues de puits de fracture. Ce travail démontre, pour la première fois, une méthode permettant la fabrication d'une lame d'onde offrant une randomisation de polarisation sur mesure pouvant être adaptée à des optiques de la taille d'un mètre. De plus, cette méthode est basée sur la technologie FJP qui intègre une bouillie non aqueuse spécialement conçue pour être utilisée avec KDP. Ce nouveau procédé FJP non aqueux peut également être utilisé pour déterminer d'autres types de matériaux présentant des propriétés inhérentes similaires, telles que la douceur, la fragilité, la solubilité dans l'eau et la sensibilité à la température.

Le dihydrogénophosphate de potassium (KDP) et son analogue deutéré, le DKDP, sont des matériaux optiques essentiels dans les systèmes laser à grande ouverture et à puissance de crête élevée, où ils sont utilisés pour la conversion de fréquence, le lissage de polarisation et la commutation électro-optique1. En raison de leur coefficient optique non linéaire élevé, de leur seuil élevé de dommages induits par le laser (LIDT) et de leur activité optique significative2,3, le KDP et le DKDP sont des matériaux indispensables pour les systèmes laser de classe fusion tels que le National Ignition Facility (NIF, USA) et l'Omega Laser Facility du Laboratoire d'Énergétique Laser (LLE, USA)4. Cependant, la fabrication de surfaces KDP de qualité optique est extrêmement difficile en raison de la solubilité élevée dans l'eau, de la fragilité, de la douceur et de la sensibilité à la température du matériau5. En raison de ces propriétés, la finition commerciale du KDP et du DKDP est limitée au tournage au diamant en un seul point et au polissage par recouvrement conventionnel des plats utilisant des fluides de refroidissement non aqueux et des boues6,7. Ces dernières années, des recherches ont été menées sur diverses méthodes de finition des sous-ouvertures pour KDP. Un processus de suppression des sous-ouvertures stable et de haute précision permettrait de modeler la surface de forme libre de ce matériau. À son tour, cela permettrait la fabrication de nouveaux éléments optiques tels que des lames d’onde avec un retard spatialement variable pour le mélange de polarisation (lissage) de faisceaux polarisés linéairement ainsi que la correction du front d’onde des plats optiques. La nature des méthodes de sous-ouverture étudiées varie considérablement et comprend la finition magnétorhéologique (MRF), le polissage de sous-ouverture, la modélisation par faisceau d'ions (IBF), le meulage d'ultra-précision et le polissage par jet sans abrasif8,9,10,11,12,13. ,14,15,16,17,18. Bien que prometteuses, ces méthodes peuvent produire une variété de défauts tels que la formation de fissures dues à la chaleur (IBF) et à la contamination par le fer (MRF) qui compromettent la capacité de l'optique à résister à une puissance laser élevée dans le régime ultraviolet8,9,13,15. Le polissage par jet sans abrasif utilise des microémulsions eau dans huile dans un jet fluide pour obtenir une élimination par un mécanisme de dissolution17,18. Bien que la méthode soit sous-ouverture, notre expérience montre que l’enlèvement de matière et la gravure des cristaux peuvent se produire rapidement lors du contact avec une microémulsion. Par la suite, les zones de surface éloignées de la région d'impact primaire du jet de fluide, mais exposées par inadvertance à la microémulsion, sont affectées négativement. Ainsi, la capacité de cette méthode à produire des surfaces de forme libre de haute qualité est sévèrement limitée.