慣性約束聚變用大口徑反射鏡的精密裝配結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種慣性約束聚變用大口徑反射鏡的精密裝配結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括高精度反射鏡元件、鏡框組件、鏡體壓板、墊片、撓性元件、撓性件壓板及安裝零部件的螺釘；所述反射鏡元件裝入鏡框后，在其高精度鍍膜反射面，由鏡體壓板壓緊墊片進行固定預緊；在鏡框組件的周向，四側(cè)面上均開有一個矩形槽，槽中間開有矩形通孔；撓性元件裝入矩形通孔后，由撓性件壓板進行壓緊；在高潔凈光學裝配工作環(huán)境下，撓性元件能夠?qū)Υ罂趶郊す夥瓷溏R元件進行精確預緊和均勻施力，反射鏡元件可以通過“建模估算-裝配預緊-檢測調(diào)整”的閉環(huán)控制方式達到極高的面形精度，實現(xiàn)慣性約束聚變裝置高功率固體激光系統(tǒng)大口徑反射鏡元件的精密、潔凈、高效的裝配。
【專利說明】
慣性約束聚變用大口徑反射鏡的精密裝配結(jié)構(gòu)
技術領域
[0001]本實用新型涉及激光慣性約束聚變裝置中高功率固體激光驅(qū)動器中的大口徑光學元件精密制造及裝配領域，具體涉及一種慣性約束聚變用大口徑反射鏡的精密裝配結(jié)構(gòu)。
【背景技術】
[0002]激光慣性約束聚變裝置廣泛使用了數(shù)以千計的大口徑光學元件，用以完成千焦耳級能量的激光束的放大、濾波及傳輸，并最終實現(xiàn)強激光束的精確匯聚產(chǎn)生能夠引發(fā)聚變反應的特殊物理條件。傳輸反射鏡是高功率固體激光裝置中最大的光學器件，在激光束編組傳輸過程中發(fā)揮對激光束進行位置調(diào)整、方向?qū)省⒐獬唐ヅ?使每束激光光程相同)等重要功能。在激光傳輸過程中，反射鏡的表面精度會對激光束的波前性能有一定的影響，所以，為了保障激光束的質(zhì)量，大口徑激光反射鏡在制造、裝配、安裝過程中都必須有極嚴格的工藝技術要求一一例如，某激光傳輸反射鏡要求在400mmX400mm的鏡面尺度上保障面形誤差控制在納米量級，這已經(jīng)近乎當前光學/機械工程的極限水平。
[0003]我國激光慣性約束聚變裝置的大口徑激光反射鏡所采用的裝配結(jié)構(gòu)及預緊技術方法，存在著某些原理性缺陷。因此，在大口徑激光反射鏡的裝配過程中，反射鏡元件上各個緊固點的夾持力偏差過大、均勻性差，導致了光學元件應力分布不均、面形精度差、誤差大，并且裝配預緊\檢測調(diào)整的操作過程復雜、工作周期長等突出問題，已經(jīng)難以適應激光慣性約束聚變裝置對大口徑光學元件精密高效裝配技術的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]從滿足激光慣性約束聚變裝置對大口徑光學元件精密高效裝配技術的迫切需求出發(fā)，針對大口徑激光反射鏡舊有的裝配結(jié)構(gòu)及預緊方法中的內(nèi)在不足，本實用新型提供一種慣性約束聚變用大口徑反射鏡的精密裝配結(jié)構(gòu)。
[0005]為達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案是:
[0006]一種慣性約束聚變裝置用大口徑激光反射鏡的精密裝配結(jié)構(gòu)，包括反射鏡元件1、鏡框組件2、鏡體壓板3、墊片4、撓性元件5、定位及預緊螺釘6和撓性件壓板7;所述鏡框組件2為矩形，在四側(cè)面上均開有一個矩形槽，槽中間開有矩形通孔，在通孔邊緣的槽面上開有多個螺紋孔;所述撓性元件5裝入矩形鏡框2四側(cè)面的矩形通孔中，與裝入鏡框組件2中的矩形反射鏡元件I直接接觸，所述撓性件壓板7裝入鏡框組件2四側(cè)面的矩形槽中，壓緊撓性元件5;所述定位及預緊螺釘6擰入鏡框2上的螺紋孔中從而對撓性件壓板7進行固定，所述撓性件壓板7壓緊撓性元件5實現(xiàn)對于反射鏡元件I的周向緊固；在所述鏡框組件2的正面一側(cè)的四側(cè)面開有多個螺紋孔，用于安裝矩形框狀結(jié)構(gòu)的鏡體壓板3以固定反射鏡元件I，所述矩形框狀結(jié)構(gòu)的鏡體壓板3和反射鏡元件I的鏡面之間插入墊片4;在鏡體壓板3上開有多個螺紋孔采用定位及預緊螺釘6壓緊墊片4以實現(xiàn)對反射鏡元件I的正面緊固。
[0007]本實用新型的有益效果是:針對激光慣性約束聚變裝置對大口徑光學元件精密高效裝配技術的迫切需求，提出了一種基于撓性元件對大口徑反射鏡光學元件進行安裝預緊的裝配結(jié)構(gòu)，本實用新型能夠克服傳統(tǒng)激光反射鏡元件的預緊力偏差大、應力分布不均等典型問題，通過在反射鏡元件側(cè)面預緊中采用整體式撓性單元，實現(xiàn)了:
[0008]一、能夠準確地控制加載在反射鏡元件的側(cè)邊上的預緊力大小，避免傳統(tǒng)設計中實際預緊力偏離名義預緊力過大、不確定明顯的問題，提高了工藝方法的一致性和可控性。
[0009]二、能夠在反射鏡元件的側(cè)邊上有效地均化預緊力，使傳遞到反射鏡鏡體上壓力較為均勻，從而有效減小由于應力集中導致的附加表面變形。
[0010]三、能夠在反射鏡單元裝配預緊的過程中，通過“建模估算-裝配預緊-檢測調(diào)整”的閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)了大口徑反射鏡元件面形誤差的嚴格控制和裝配效率大幅提升的目標，為我國激光慣性約束聚變裝置大口徑光學元件精密高效裝配技術的發(fā)展和應用提供了新動力。
【附圖說明】
[0011]圖1是本實用新型所涉大口徑反射鏡單元的裝配結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2是本實用新型所涉大口徑反射單元閉環(huán)控制的集成安裝過程示意圖。
[0013]圖3是實施案例的光學元件裸鏡下的表面測量圖。
[0014]圖4是實施案例的光學元件預緊下的表面測量圖。
[0015]圖5是實施案例的光學元件預緊下的附加變形圖。
[0016]圖6是本實用新型撓性元件預緊下的鏡體受力分布圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和一個【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細說明。
[0018]如圖1所示，一種慣性約束聚變用大口徑反射鏡的裝配及預緊結(jié)構(gòu)，包括反射鏡元件1、鏡框組件2、鏡體壓板3、墊片4、撓性元件5、定位及預緊螺釘6、撓性件壓板7。所述鏡框組件2為矩形，在四側(cè)面上均開有一個矩形槽，槽中間開有矩形通孔，在通孔邊緣的槽面上開有6個螺釘孔。所述撓性元件5裝入矩形鏡框2四側(cè)面的矩形通孔中，與矩形反射鏡元件I直接接觸，所述撓性件壓板7裝入鏡框組件2四側(cè)面的矩形槽中，壓緊撓性元件5。所述定位及預緊螺釘6擰入鏡框組件2上的螺紋孔中從而對撓性件壓板7進行固定，所述撓性件壓板7壓緊撓性元件5實現(xiàn)對于反射鏡元件I的周向緊固。在所述鏡框組件2的正面一側(cè)，開有20個螺紋孔，用于安裝矩形框狀結(jié)構(gòu)的鏡體壓板3以固定反射鏡元件I，所述矩形框狀結(jié)構(gòu)的鏡體壓板3和反射鏡元件I的鏡面之間插入墊片4。在鏡體壓板3上開有34個螺紋孔，所述預緊螺釘6可以壓緊墊片4以實現(xiàn)對反射鏡元件I的正面緊固。
[0019]本【具體實施方式】中，所述反射鏡元件I的主要尺寸為61mm X 440mm X 85mm，材料為K9玻璃，鏡面為平面，要求面形加工偏差(波峰-波谷值，PV值)小于lOOnm，裝配預緊后的總體面形偏差(PV值)小于310nm，裝配預緊導致的附加面形偏差(PV值)小于220nm。所述鏡框組件2為鋁合金材料，尺寸公差優(yōu)于± 0.05_，所述鏡體壓板3為鋁合金材料，厚度大于5_，所述墊片4為紫銅材料，厚度公差優(yōu)于±0.01mm，所述撓性元件5形狀如圖1示為連續(xù)梯形結(jié)構(gòu)，材料為招合金，厚度小于I.5mm，關鍵尺寸公差優(yōu)于±0.05mm，所述燒性件壓板7為矩形，合金鋼材料，厚度大于2mm。此外，本【具體實施方式】中所述螺釘及螺紋孔，均為細牙精制，進行檢測后螺紋導程(螺距)誤差應小于0.02mm。
[0020]在達到IS014644-1規(guī)定的5級空氣潔凈標準的光學精密裝配環(huán)境下，以上述慣性約束聚變用大口徑激光反射鏡的裝配及預緊結(jié)構(gòu)為基礎，通過撓性單元實現(xiàn)大口徑反射鏡元件的精密預緊、高效裝配的方法，具有“建模估算-裝配預緊-檢測調(diào)整”的閉環(huán)控制特點，包括如下具體步驟(如圖2所示):
[0021 ]步驟I:在納米精度量級的Φ 600mm大口徑近紅外波長移相干涉儀上，采用豎直放置方式，對反射鏡元件I的高精密鍍膜反射面(以下簡稱鏡面)進行精密測量，獲取反射鏡元件I的當前面形(即裸鏡)的精準數(shù)據(jù)(如圖3所示)。如果所獲反射鏡元件I的面形數(shù)據(jù)滿足工藝技術要求，則執(zhí)行如下裝配預緊操作。
[0022]步驟2:運用有限元方法對反射鏡元件的安裝預緊過程進行數(shù)值建模，計算出保持反射鏡元件I表面變形滿足工藝技術要求，同時又能保持反射鏡元件I在給定的外部輸入機械\熱激勵下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的最佳預緊力，含反射鏡元件I正面的壓緊力和四個側(cè)面上的壓緊力。
[0023]步驟3:用大口徑真空吸盤吸緊反射鏡元件I，精確裝入鏡框組件2。
[0024]步驟4:在反射鏡正面的四邊緣，放入墊片4，然后安裝矩形框狀結(jié)構(gòu)的鏡體壓板3，安裝20個定位螺釘進行固定，采用定值力矩扳手在鏡體壓板3上安裝34個預緊螺釘，壓緊墊片4實現(xiàn)對反射鏡元件I的正面緊固。
[0025]步驟5:在鏡框組件2四側(cè)面的矩形通孔中，安裝入與矩形通孔等長度的撓性元件5，與矩形反射鏡元件I直接接觸，在鏡框組件2四側(cè)面的矩形槽中，安裝入與矩形槽等長度的撓性件壓板7。
[0026]步驟6:運用設定壓力值的壓力裝置(加載壓力的精度優(yōu)于0.5%)對撓性件壓板7進行加壓，達到穩(wěn)定狀態(tài)后保持I分鐘，再用定位及預緊螺釘6對撓性件壓板7進行固定，并撤除壓力裝置。
[0027]步驟7:依次執(zhí)行對鏡體四側(cè)面的預緊后，完成對反射鏡元件I的一次周向緊固。
[0028]步驟8:在納米精度量級的Φ600mm大口徑近紅外波長移相干涉儀上，采用豎直放置方式，對預緊完成后的反射鏡表面再次進行精密測量，獲取反射鏡元件I當前面形的精準數(shù)據(jù)(如圖4所示)。
[0029]步驟9:對前后兩次鏡面的面形數(shù)據(jù)進行逐點做差，得到裝配預緊操作導致的反射鏡元件附加表面變形數(shù)據(jù)。(如圖5所示)。將所獲得反射鏡元件I的各項面形數(shù)據(jù)與工藝技術要求進行比對，如果滿足工藝要求，則完成反射鏡元件的裝配預緊任務。
[0030]步驟10:如果所獲得反射鏡元件I的面形數(shù)據(jù)超出工藝技術要求許可范圍，則以當前的反射鏡元件I的面形數(shù)據(jù)和裝配預緊力操作參數(shù)為基礎，進行二次計算，給出需要調(diào)整的螺釘及其預緊力的優(yōu)化操作參數(shù)，運用加力裝置執(zhí)行操作。
[0031]步驟11:繼續(xù)執(zhí)行步驟8、9及10的操作，直到反射鏡元件I的各項面形數(shù)據(jù)滿足工藝技術要求為止。
[0032]經(jīng)現(xiàn)場案例實施及精密測量，在本實施方式下，重復進行了5次反射鏡元件安裝預緊實驗，如圖6所示，反射鏡元件在撓性結(jié)構(gòu)預緊下實際預緊力控制精度高(偏差小于5%)、鏡體承受的預緊力分布均勻(偏差小于5.6%)，均穩(wěn)定達到了反射鏡面形精度控制的要求；在滿足鏡面面形精度要求的條件下，較傳統(tǒng)的方式(裝配結(jié)構(gòu)及工藝路線)能夠減少50%的工作時間，從而大幅提高大口徑反射鏡元件的裝配效率。
【主權(quán)項】
1.一種慣性約束聚變用大口徑反射鏡的精密裝配結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括反射鏡元件(1)、鏡框組件(2)、鏡體壓板(3)、墊片(4)、撓性元件(5)、定位及預緊螺釘(6)和撓性件壓板(7);所述鏡框組件(2)為矩形，在四側(cè)面上均開有一個矩形槽，槽中間開有矩形通孔，在通孔邊緣的槽面上開有多螺紋孔;所述撓性元件(5)裝入矩形鏡框(2)四側(cè)面的矩形通孔中，與裝入鏡框組件(2)中的矩形反射鏡元件(I)直接接觸，所述撓性件壓板(7)裝入鏡框組件(2)四側(cè)面的矩形槽中，壓緊撓性元件(5);所述定位及預緊螺釘(6)擰入鏡框(2)上的螺紋孔中從而對撓性件壓板(7)進行固定，所述撓性件壓板(7)壓緊撓性元件(5)實現(xiàn)對于反射鏡元件(I)的周向緊固；在所述鏡框組件(2)的正面一側(cè)的四側(cè)面開有多個螺紋孔，用于安裝矩形框狀結(jié)構(gòu)的鏡體壓板(3)以固定反射鏡元件(I)，所述矩形框狀結(jié)構(gòu)的鏡體壓板(3)和反射鏡元件(I)的鏡面之間插入墊片(4);在鏡體壓板(3)上開有多個螺紋孔采用定位及預緊螺釘(6)壓緊墊片(4)以實現(xiàn)對反射鏡元件(I)的正面緊固。
【文檔編號】G02B7/183GK205539657SQ201620061857
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月21日
【發(fā)明人】王輝, 張政, 姚超, 周明星
【申請人】清華大學