Nd:YLF晶体表面微观形貌提取及其光学性能影响的研究

论文摘要

Nd:YLF是一种新型的光学晶体材料,作为增益介质应用于固体激光器中。机加工Nd:YLF晶体时会在其表面上留下走刀痕迹,得不到理想的光学功能表面。目前,光学晶体材料广泛使用单点金刚石车削方法,该方法有着加工周期短、表面质量高的特点。但是加工后晶体表面留下的小尺度波纹及其特征,会有扰乱激光传输特性,对晶体光学性能如温度、应力有着重要影响。因此,本文针对Nd:YLF超精加工表面存在的频率特征进行研究,研究内容包括:一是提取及重构表面微观形貌上的实际频率特征并建立与加工参数的联系;二是分析实际频率特征对晶体内部光学性能如温度、热应力的影响。本文首先进行超精切削实验获得了原始表面微观形貌,白光干涉仪测量表明形貌特征。其次,通过功率谱密度方法和连续小波变换方法实现了晶体三维表面和二维轮廓的提取及重构,同时分析了切削参数如切削深度、进给量和主轴转速与表面微观形貌上存在的实际频率间关系。具体表现为:中频特征波长及幅值反映了切削深度及转速变化,随切深及转速增加幅值变大;低频特征反映了进给量变化,随进给量变小,频率及幅值变小;高频特征反应了加工过程中振动及材料自身性质。再次,分析了理想尺度轮廓对晶体的光学性能影响,得到表面轮廓对晶体内部温度、热应力的一般规律:表面频率特征波长远小于入射基频波长时,光束在晶体内部无明显的波动现象,对内部温度和应力影响不大;表面频率特征波长与基频波长相差不大时,光束扰动最为明显,温度、应力变化最大;表面频率特征波长远大于基频波长时,轮廓参数振幅相比于波长对晶体内部温度、应力影响程度较大,随幅值增加,温度、热应力变大。通过本文的研究,获得了加工参数对Nd:YLF晶体已加工表面频率特征,以及表面频率特征对晶体光学性能的影响规律,对优化光学晶体的加工工艺参数,提高晶体元件的表面质量和使用寿命奠定理论基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外相关研究现状
•     1.2.1 Nd:YLF晶体的特点及应用
•     1.2.2 Nd:YLF晶体在激光器中的作用
•   1.3 晶体表面微观形貌的研究现状
•     1.3.1 表面微观形貌传统表征方法现状
•     1.3.2 小波方法的发展现状
•     1.3.3 功率谱密度在表面微观形貌上的应用
•   1.4 本课题的主要研究内容及其技术路线
•     1.4.1 课题研究的内容
•     1.4.2 课题研究的技术路线
• 第二章 Nd:YLF晶体的切削实验及表面测量
•   2.1单点金刚石车削实验
•     2.1.1 实验条件
•     2.1.2 选用切削参数确定
•   2.2 白光干涉仪测量
•     2.2.1 白光干涉仪介绍
•     2.2.2 测量原理
•     2.2.3 规定取样范围及测量结果
•   2.3 切削参数对已加工表面的初步判定
•   2.4 本章小结
• 第三章 表面微观形貌的提取及重构
•   3.1 PSD表征方法
•   3.2 小波方法
•     3.2.1 离散小波的局限性
•     3.2.2 连续小波方法
•     3.2.3 提取及重构办法
•   3.3 表面空间频率特征的提取及分析
•     3.3.1 PSD分析
•     3.3.2 CWT对实际频率的提取及重构
•   3.4 本章总结
• 第四章 切削参数对微观轮廓频率特征的影响
•   4.1 二维微观轮廓实际频率特征的提取及重构
•     4.1.1 PSD分析
•     4.1.2 切削参数频率特征的提取及重构
•   4.2 加工参数对微观轮廓频率特征影响分析
•     4.2.1 切削深度对微观轮廓频率特征影响分析
•     4.2.2 进给量对微观轮廓频率特征影响分析
•     4.2.3 主轴转速对微观轮廓频率特征影响分析
•   4.3 本章总结
• 第五章 轮廓特征对晶体内部温度、热应力影响
•   5.1 电磁场基本理论
•     5.1.1 麦克斯韦理论方程
•     5.1.2 真空中的平面电磁波
•     5.1.3 均匀电介质中的电磁波
•     5.1.4 电磁波的能量损耗
•     5.1.5 建立轮廓模型与边界条件
•   5.2 理想轮廓对电磁场、温度及热应力的影响
•     5.2.1 水平轮廓电磁场及温度、应力分析
•     5.2.2 波长为1.064μm、5μm、10μm电磁场及温度、应力分析
•     5.2.3 小尺度波纹参数对晶体内部温度变化比较
•   5.3 表面轮廓实际频率特征温度、热应力分析
•     5.3.1 表面轮廓低频特征对晶体内部温度、热应力分析
•     5.3.2 表面轮廓中频特征对晶体内部温度、热应力分析
•     5.3.3 表面轮廓高频特征对晶体内部温度、热应力分析
•   5.4 总结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结与主要结论
•   6.2 展望
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 况良杰

导师: 徐幼林

关键词: 表面微观形貌,切削参数,频率特征,温度

来源: 南京林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 南京林业大学

分类号: O734

DOI: 10.27242/d.cnki.gnjlu.2019.000098

总页数: 60

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