Caratterizzazione delle prestazioni di superfici finite a forma libera di potassio diidrogeno fosfato mediante lucidatura a getto fluido con una sospensione non acquosa

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6524 (2023) Citare questo articolo

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Il fosfato monobasico di potassio (KDP) e il suo analogo deuterato (DKDP) sono materiali ottici non lineari unici per sistemi laser ad alta potenza. Sono ampiamente utilizzati per la conversione di frequenza e il controllo della polarizzazione in virtù della capacità di far crescere cristalli di qualità ottica su aperture adatte per sistemi laser di classe fusione. I metodi esistenti per la rappresentazione a forma libera dell'ottica KDP/DKDP non producono superfici con soglie di danno indotto dal laser (LIDT) sufficienti per il funzionamento nella porzione ultravioletta dei sistemi laser ad alta potenza di picco. In questo lavoro, studiamo la lucidatura a getto fluido (FJP) utilizzando un impasto liquido non acquoso come metodo di finitura sotto-apertura per produrre superfici KDP a forma libera. Questo metodo è stato utilizzato per lucidare selettivamente aree superficiali a diverse profondità sullo stesso substrato con rimozioni comprese tra 0,16 μm e 5,13 μm. Le superfici finite hanno mostrato un leggero aumento della ruvidità all'aumentare della profondità di rimozione insieme ad un piccolo numero di solchi di frattura. I test sui danni laser con impulsi da 351 nm e 1 ns hanno dimostrato eccellenti soglie di danno superficiale, con i valori più alti nelle aree prive di fosse di frattura. Questo lavoro dimostra, per la prima volta, un metodo che consente la fabbricazione di una piastra d'onda che fornisce una randomizzazione della polarizzazione su misura che può essere adattata a ottiche di dimensioni pari a un metro. Inoltre, questo metodo si basa sulla tecnologia FJP che incorpora un impasto liquido non acquoso appositamente progettato per l'uso con KDP. Questo nuovo processo FJP non acquoso può essere utilizzato anche per immaginare altri tipi di materiali che presentano proprietà intrinseche simili e impegnative come morbidezza, fragilità, solubilità in acqua e sensibilità alla temperatura.

Sia il fosfato monobasico di potassio (KDP) che il suo analogo deuterato DKDP sono materiali ottici critici nei sistemi laser ad ampia apertura e ad alta potenza di picco, dove vengono utilizzati per la conversione di frequenza, il livellamento della polarizzazione e la commutazione elettro-ottica1. A causa del loro ampio coefficiente ottico non lineare, dell'elevata soglia di danno indotto dal laser (LIDT) e della significativa attività ottica2,3, KDP e DKDP sono materiali indispensabili per i sistemi laser di classe fusione come il National Ignition Facility (NIF, USA) e l'Omega Laser Facility del Laboratorio per l'Energia Laser (LLE, USA)4. Tuttavia, la fabbricazione di superfici KDP di qualità ottica è estremamente difficile a causa dell'elevata solubilità in acqua, fragilità, morbidezza e sensibilità alla temperatura del materiale5. A causa di queste proprietà, la finitura commerciale di KDP e DKDP è limitata alla tornitura diamantata a punto singolo e alla lucidatura convenzionale dei piani utilizzando fluidi di raffreddamento e fanghi non acquosi6,7. Negli ultimi anni sono state condotte ricerche su vari metodi di finitura sotto-apertura per KDP. Un processo di rimozione della sub-apertura stabile e ad alta precisione consentirebbe la raffigurazione della superficie a forma libera di questo materiale. Ciò consentirebbe a sua volta la fabbricazione di nuovi elementi ottici come piastre d'onda con ritardo spazialmente variabile per la miscelazione della polarizzazione (livellamento) di raggi polarizzati linearmente e la correzione del fronte d'onda dei piani ottici. La natura dei metodi sotto-apertura studiati varia considerevolmente e comprende la finitura magnetoreologica (MRF), la lucidatura sotto-apertura, la determinazione del fascio ionico (IBF), la molatura ultraprecisa e la lucidatura a getto senza abrasivi8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18. Sebbene promettenti, questi metodi possono produrre una varietà di difetti come la formazione di crepe dovute al riscaldamento (IBF) e la contaminazione da ferro (MRF) che minano la capacità dell'ottica di resistere all'elevata potenza del laser nel regime ultravioletto8,9,13,15. La lucidatura a getto senza abrasivi impiega l'uso di microemulsioni acqua in olio in un getto fluido per ottenere la rimozione mediante un meccanismo di dissoluzione17,18. Sebbene il metodo sia sub-apertura, la nostra esperienza è che la rimozione del materiale e l'attacco dei cristalli possono avvenire rapidamente durante il contatto con una microemulsione. Successivamente vengono influenzate negativamente le zone superficiali lontane dalla zona di impatto primario del getto fluido, ma inavvertitamente esposte alla microemulsione. Pertanto, la capacità di questo metodo di produrre superfici a forma libera di alta qualità è fortemente limitata.