国家自然科学基金机械工程学科2020年度优秀结题项目（九）
项目负责人：程健
Email：cheng.826@hit.edu.cn
项目执行期：2018年1月-2020年12月
依托单位：哈尔滨工业大学
项目批准号：51705105
项目简介：
KDP功能晶体加工表面微缺陷严重影响其自身光学性能和激光负载能力，极大地限制了其在激光核聚变工程中的应用。本项目综合表征了该类晶体元件加工表面微缺陷特征参数，探究其在强激光辐照下热力学和电磁学作用机制；建立了强激光辐照下晶体元件加工表面微缺陷诱导激光损伤全过程动力学模型，深入研究了缺陷在应力、温度、电磁、流场等多场耦合作用下引起激光损伤动力学过程，探索晶体元件强激光损伤及损伤扩展内在物理机制；揭示强激光辐照下加工缺陷对元件抗激光损伤能力的影响规律，获得对激光损伤最为敏感的缺陷种类和特征尺寸范围，由此建立适用于强激光服役环境下功能晶体元件加工表面微缺陷光伤性能评价方法，最终为大口径KDP功能晶体元件超精密制造过程中光伤缺陷的有效控制与抑制提供重要理论基础和参数指导。
主要研究进展及创新点：
本项目针对激光核聚变用KDP功能晶体加工表面微缺陷诱导激光损伤机制及其对抗激光损伤能力影响问题，以揭示功能晶体元件强激光损伤机理并提升其激光负载能力为目标，通过对晶体加工微缺陷综合特性表征及其诱导激光损伤动力学行为探究，在加工微缺陷多模态表征、缺陷与强激光耦合作用机制、缺陷对元件抗激光损伤能力影响、缺陷超精密修复新方法等方面均取得研究进展，主要创新如下：
（1）针对软脆晶体加工表面缺陷种类多，形态复杂，且在强激光辐照下物化特性不明，单一检测手段无法表征其对元件光学性能影响机制的难题，本项目提出从晶体加工微缺陷几何形貌、光致荧光、拉曼光谱、力学性能等方面实现其多模态表征，获得晶体元件加工表面微缺陷多模态特征参量；搭建加工缺陷微区光致荧光共聚焦显微探测系统，探究加工缺陷瞬/稳态光致荧光光谱特性；建立描述强激光与晶体加工缺陷相互作用初期能量沉积过程的亚带隙缺陷能级模型，获得强激光辐照下加工缺陷诱导激光光场调制规律，为建立晶体元件加工微缺陷与激光损伤性能关联关系提供重要依据。
图1 KDP功能晶体加工表面微缺陷多模态表征及亚带隙缺陷能级结构模型
（2）针对晶体加工微缺陷与强激光相互作用过程涉及非线性离化、高温相变、应力演变等多个物理过程耦合作用，造成加工缺陷诱导激光损伤内在物理机制复杂的问题，本项目提出建立强激光辐照下晶体元件加工微缺陷诱导激光损伤初-中-后期全过程耦合动力学模型，首次揭示晶体元件加工微缺陷诱导激光损伤初期能量沉积机制；理论解析加工微缺陷诱导激光损伤初期能量沉积与中后期冲击波扩展、材料喷射、裂纹演化等典型动力学行为规律；结合超快时间分辨探测技术，揭示了晶体元件加工表面微缺陷诱导激光损伤与损伤扩展的内在物理机制，为功能晶体元件表面光伤微缺陷的有效抑制与修复提供了参数指导和理论依据。
图2 加工缺陷诱导激光损伤动力学建模、超快时间分辨探测及损伤行为演变机制
(3) 针对如何精确辨识晶体元件加工表面光伤微缺陷，并对之进行有效控制和修复以提升其抗激光损伤能力的难题，本项目探究了晶体元件加工表面微缺陷特征参数对激光损伤形貌演变的影响规律，获得对激光损伤最为敏感的缺陷类型和尺寸范围；并在此基础上，创新性提出基于水溶剂介导的晶体表面微纳光伤缺陷超精密修复新方法，实现了晶体元件表面缺陷微区“去凸填凹”的修复效果；初步探究了光伤缺陷修复效率的影响因素，并从光伤缺陷修复后微观形貌、局部粗糙度、光学性能等方面证实该种修复方法对提升晶体元件抗激光损伤能力的效果，为实现超光滑、低缺陷、高激光负载能力晶体元件的超精密制造提供了重要技术支撑和理论依据。
图3 晶体元件表面对激光损伤敏感的缺陷尺寸范围及其水溶剂介导超精密修复新方法
项目取得的主要研究成果：
(1) 成果发表：自本项目执行以来，在Mater. Design、J. Manuf. Process.、IEEE TIM、Opt. Express 等本领域国内外知名学术期刊上发表论文20篇，其中SCI收录15篇，JCR一区12篇，《机械工程学报》1篇，会议论文4篇；申请国家发明专利10项，已授权5项，登记软件著作权3项。
(2) 成果应用：搭建了缺陷微区瞬/稳态光致荧光探测系统，联合合作单位（中物院激光聚变研究中心）建立了光学元件极端制造过程中光伤缺陷精确辨识的知识原型系统，可用于解决工程中强激光元件光伤缺陷评价与表征的难题。
(3) 对外合作与交流：在国际会议上做学术报告交流7人次，并与英国诺丁汉大学、中物院激光聚变研究中心等国内外单位进行联合培养博士生4人次，研究成果得到国内外院士、期刊编辑、法国CEA聚变研究中心等著名机构学者引用与正面评价。
(4)人才培养：项目负责人入选中国科协“青年人才托举工程”计划、黑龙江省自然科学基金“优青”项目、哈工大“青年拔尖人才”选聘计划；2020年受聘博导，指导（含协助指导）博士、硕士研究生13人，已毕业5人。
团队介绍：
团队负责人：陈明君，哈尔滨工业大学教授、博士生导师。入选教育部“长江学者特聘教授奖励计划”、国家“万人计划”-科技创新领军人才、教育部“新世纪人才支持计划”、黑龙江省高校青年学术骨干支持计划，获黑龙江省第七届青年科技奖，是黑龙江省“超精密加工与微纳制造创新研究团队”“头雁”计划负责人。研究方向为超精密加工与微纳制造技术，主要面向惯性约束激光核聚变、长寿命卫星、高性能武器装备等领域需求，重点开展精密/超精密加工技术与工艺装备、微纳制造技术及应用、工艺自动化技术与装备等方面研究；主持国家自然科学基金、科技部数控重大专项、重点研发计划、“863计划”、国防预研重大项目、国防基础科研等科研项目40余项；获部/省级自然科学一等奖2项、二等奖2项，科技进步三等奖1项；在高水平学术杂志及会议上发表论文200余篇，其中SCI收录100余篇；授权国家发明专利50余项。
团队成员：程健，哈尔滨工业大学教授、博士生导师，主要从事超精密加工技术与工艺装备等方面研究。主持/参与国家自然科学基金面上/青年项目、国家数控重大专项、重点研发计划、军科委基础加强计划重点项目、国防预研重大项目、国防基础科研等科研项目20余项；入选中国科协“青年人才托举工程”计划、黑龙江省自然科学基金“优青”项目、黑龙江省“博士后青年英才计划”、哈工大“青年拔尖人才”选聘计划；获全国“上银优秀机械博士论文奖”铜奖；在国内外高水平学术杂志及会议上发表论文70余篇，其中SCI收录50余篇；申请/授权国家发明专利30余项，登记软件著作权10余项；是中国宇航学会青年科学家俱乐部主席团副主席、中国机械工程学会高级会员、美国OSA光学学会会员、国际IEEE会员等。
编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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