高性能倍半氧化物激光晶体生长及制造工艺与装备

赖 敏

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 天津300072)

高性能倍半氧化物激光晶体生长及制造工艺与装备

赖 敏

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 天津300072)

发展高端激光制造技术与装备可促进我国传统制造业转型升级。由天津大学牵头的国家重点研发项目“高性能倍半氧化物激光晶体生长及制造工艺与装备”针对性能优良的大尺寸、高熔点倍半氧化物晶体生长工艺与集成装备，及硬脆激光晶体的高效低损伤超精密磨削、抛光工艺与装备等研发难题，开展晶体生长、加工工艺和装备的重大共性关键技术研究。项目预期发展具有自主知识产权、国际先进水平的大尺寸、高熔点倍半氧化物晶体的生长工艺及装备、加工工艺及装备。研制出的高精度大径厚比倍半氧化物激光晶体元件为高功率先进激光器提供核心元件，将会在增材制造、激光制造、信息产业等国家需求的重点领域开拓战略性的新兴产业。

激光制造 倍半氧化物晶体 高熔点 晶体生长 硬脆材料 超精密加工 表面完整性 高端装备

0 引 言

由天津市科学技术委员会推荐，天津大学作为项目牵头单位，联合山东大学、同济大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等10家相关高校、研究院和企业联合申报的“高性能倍半氧化物激光晶体生长及制造工艺与装备”项目获得科技部国家重点研发计划项目立项。

激光器作为激光制造及相关领域发展的核心器件，越来越广泛地应用于制造、精密测量、科学探测、通讯与信息处理、医疗等各领域。发展高端激光制造技术与装备可促进我国传统制造业转型升级，为我国高端制造业的发展提供必要的支撑。目前，我国的高端激光制造装备与国外相比还有差距，研制光学性能优良的新型激光介质，突破激光晶体高效低损伤加工难题，获得高性能激光器核心功能部件激光晶体元件，对推进我国激光制造业的发展，打破发达国家技术壁垒具有重大意义。以氧化镥为代表的倍半氧化物晶体因具有低声子能量、高热导率、高损伤阈值、高量子效率等优势，是优质激光晶体的理想选择之一，可为不同波段高功率先进激光器的开发提供理想的工作介质。然而，该类晶体生长熔点高达2,400,℃，晶体生长条件要求苛刻，设备要求极高。目前，国际上还没有可生长高熔点(＞2,400,℃)倍半氧化物激光晶体的商品化单晶炉，也尚未获得该类大口径晶体的成熟生长工艺。为满足高性能激光晶体元件的使用要求，需加工出超光滑、低损伤以及高面形精度的晶体表面，而作为一种新型的激光晶体材料，目前尚未见关于其超精密加工技术的研究。该类晶体具有硬脆特性，在加工过程中极易出现划凹坑、破碎、微裂纹等多种损伤，影响其激光性能，其大径厚比光学元件的超精密加工存在着巨大挑战。

1 创新性工作及研发团队

该项目针对性能优良的大尺寸、高熔点倍半氧化物晶体生长工艺与集成装备，及硬脆激光晶体的高效低损伤超精密磨削、抛光工艺与装备的研发难题，开展晶体生长、加工工艺和装备的重大共性关键技术研究，主要研究目标包括：研发高熔点(＞2,400,℃)倍半氧化物晶体生长工艺和装备，生长高质量激光晶体；建立倍半氧化物晶体加工损伤形成演变理论，探索低损伤超光滑表面的加工新方法；研发超精密磨削、抛光装备和集成工艺，实现高表面完整性激光晶体元件加工。

项目团队对高熔点倍半氧化物晶体生长方法及工艺开展了长期系统的研究，可突破晶体生长高熔点和低温梯瓶颈，将晶体熔体法生长极限温度从目前的2,000,℃提高至2,400,℃。提出PaE倍半氧化物晶体加工新方法，结合表面改性和刻蚀等理化结合实现晶体材料的高精度、低损伤、超光滑表面的加工，为倍半氧化物晶体元件高效加工提供有效途径。针对高精度激光晶体元件加工监测的需要，项目组开展高分辨率表面/亚表面综合参数原位测量方法研究，实现加工过程晶体表面几何参数和加工损伤综合参数的在线检测和工艺水平的指导。基于晶体元件特点，项目组提出采用固结磨料双面抛光与化学机械抛光相结合的超精密加工工艺以及高表面质量和高几何精度的在位协调控制方法。

该项目参与单位包括天津大学测试计量技术及仪器国家重点实验室、山东大学晶体材料国家重点实验室、同济大学先进微结构材料教育部重点实验室、哈尔滨工业大学微结构制造教育部重点实验室、大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室、天津市微纳制造技术工程中心等国内激光晶体生长、超精密加工以及相关装备研发的优势力量。项目团队现有973首席1人、长江学者2人、国家千人1人、国家杰青2人及国家自然科学基金委创新团队2个。团队具有丰富的晶体生长、光学晶体加工工艺及装备的研发经验，先后开展了蓝宝石、YAG、GGG、KDP等晶体的生长及超精密磨抛加工理论和技术研究。

2 前景展望

通过该项目的实施，预期解决制约我国超高温倍半氧化物激光晶体研制中生长工艺、加工工艺及装备等瓶颈问题，发展具有自主知识产权、国际先进水平的大尺寸、高熔点倍半氧化物晶体的生长工艺及装备、加工工艺及装备，填补国内空白，使我国激光晶体生长和加工的局部优势延伸和扩展。同时，突破发达国家在相关领域的技术壁垒，增强了我国制造用激光器领域的自主创新能力，确保我国在增材制造及激光制造领域的优势地位，为具有我国自主知识产权和特色的全固态激光技术开拓提供坚实的基础。项目预期培养一批中青年优秀学术骨干，研究领域涵盖晶体生长、加工工艺及装备制造技术。该项目研制出的高精度大径厚比倍半氧化物激光晶体元件，为高功率先进激光器提供核心元件，将会在增材制造、激光制造、信息产业等国家需求的重点领域开拓战略性的新兴产业。■

［1］ 科技部. “增材制造与激光制造”重点专项2016年度项目申报指南[Z]. 国科发资〔2016〕69号.

［2］ 王霄，王东生，高雪松，等. 轻合金构件激光增材制造研究现状及其发展[J]. 应用激光，2016(4)：478-483.

［3］ 何博文，喆冉先，田象军，等. 激光增材制造TC11钛合金的耐蚀性研究[J]. 中国激光，2016(4)：75-81.

The Technology and Equipment of Fabrication and Manufacture of High Performance Sesquioxides Crystals

LAI Min
(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology & Instruments，Centre of MicroNano Manufacturing Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Developing high-end laser manufacturing technology and equipment can promote the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry．The national key research and development program on the technology and equipment of the fabrication and manufacture of high performance sesquioxides crystals has been recently approved．Tianjin University takes the leadership in this national program．Aiming at the research and development of growth technology and relevant equipment of sesquioxides crystals with a large size and high melting point，as well as high-efficiency and low-damage ultra-precision grinding，polishing technology and equipment of the laser crystal that is hard and brittle，this project will carry out the research on key technology of crystal growth，processing technology and equipment．The implementation of this project is expected to develop growth，processing techniques and relevant equipment of producing sesquioxides crystals with a large size and high melting point．The sesquioxides laser crystal elements with high-precision and large radiusthickness can serve as the core element for advanced high-power lasers，which will open up emerging industries in areas like additive manufacturing，laser manufacturing and information technology.

laser manufacturing；sesquioxides crystals；high melting point；crystal growth；hard-brittle material；ultraprecision machining；surface integrity；high-end equipment

TH16

：A

：1006-8945(2016)12-0023-02

国家重点研发计划(批准号：2016YFB1102200)资助项目。

2016-11-04