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(jìn)行固定預(yù)緊；在鏡框組件的周向，四側(cè)面上均開(kāi)有一個(gè)矩形槽，槽中間開(kāi)有矩形通孔；撓性元件裝入矩形通孔后，由撓性件壓板進(jìn)行壓緊；在高潔凈光學(xué)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(jìn)行精確預(yù)緊和均勻施力，反射鏡元件可以通過(guò)“建模估算-裝配預(yù)緊-檢測(cè)調(diào)整”的閉環(huán)控制方式達(dá)到極高的面形精度，實(shí)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(shuō)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(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)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(dòng)器中的大口徑光學(xué)元件精密制造及裝配領(lǐng)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(shù)】
[0002]激光慣性約束聚變裝置廣泛使用了數(shù)以千計(jì)的大口徑光學(xué)元件，用以完成千焦耳級(jí)能量的激光束的放大、濾波及傳輸，并最終實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激光束的精確匯聚產(chǎn)生能夠引發(fā)聚變反應(yīng)的特殊物理?xiàng)l件。傳輸反射鏡是高功率固體激光裝置中最大的光學(xué)器件，在激光束編組傳輸過(guò)程中發(fā)揮對(duì)激光束進(jìn)行位置調(diào)整、方向?qū)?zhǔn)、光程匹配(使每束激光光程相同)等重要功能。在激光傳輸過(guò)程中，反射鏡的表面精度會(huì)對(duì)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(guò)程中都必須有極嚴(yán)格的工藝技術(shù)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(jí)，這已經(jīng)近乎當(dāng)前光學(xué)/機(jī)械工程的極限水平。
[0003]我國(guó)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(yù)緊技術(shù)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(guò)程中，反射鏡元件上各個(gè)緊固點(diǎn)的夾持力偏差過(guò)大、均勻性差，導(dǎo)致了光學(xué)元件應(yīng)力分布不均、面形精度差、誤差大，并且裝配預(yù)緊\檢測(cè)調(diào)整的操作過(guò)程復(fù)雜、工作周期長(zhǎng)等突出問(wèn)題，已經(jīng)難以適應(yīng)激光慣性約束聚變裝置對(duì)大口徑光學(xué)元件精密高效裝配技術(shù)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(duì)大口徑光學(xué)元件精密高效裝配技術(shù)的迫切需求出發(fā)，針對(duì)大口徑激光反射鏡舊有的裝配結(jié)構(gòu)及預(yù)緊方法中的內(nèi)在不足，本實(shí)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(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)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(yù)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(kāi)有一個(gè)矩形槽，槽中間開(kāi)有矩形通孔，在通孔邊緣的槽面上開(kāi)有多個(gè)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(yù)緊螺釘6擰入鏡框2上的螺紋孔中從而對(duì)撓性件壓板7進(jìn)行固定，所述撓性件壓板7壓緊撓性元件5實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)有多個(gè)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(kāi)有多個(gè)螺紋孔采用定位及預(yù)緊螺釘6壓緊墊片4以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射鏡元件I的正面緊固。
[0007]本實(shí)用新型的有益效果是:針對(duì)激光慣性約束聚變裝置對(duì)大口徑光學(xué)元件精密高效裝配技術(shù)的迫切需求，提出了一種基于撓性元件對(duì)大口徑反射鏡光學(xué)元件進(jìn)行安裝預(yù)緊的裝配結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型能夠克服傳統(tǒng)激光反射鏡元件的預(yù)緊力偏差大、應(yīng)力分布不均等典型問(wèn)題，通過(guò)在反射鏡元件側(cè)面預(yù)緊中采用整體式撓性單元，實(shí)現(xiàn)了:
[0008]一、能夠準(zhǔn)確地控制加載在反射鏡元件的側(cè)邊上的預(yù)緊力大小，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)際預(yù)緊力偏離名義預(yù)緊力過(guò)大、不確定明顯的問(wèn)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(yù)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(yīng)力集中導(dǎo)致的附加表面變形。
[0010]三、能夠在反射鏡單元裝配預(yù)緊的過(guò)程中，通過(guò)“建模估算-裝配預(yù)緊-檢測(cè)調(diào)整”的閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)了大口徑反射鏡元件面形誤差的嚴(yán)格控制和裝配效率大幅提升的目標(biāo)，為我國(guó)激光慣性約束聚變裝置大口徑光學(xué)元件精密高效裝配技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了新動(dòng)力。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本實(shí)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(shí)用新型所涉大口徑反射單元閉環(huán)控制的集成安裝過(guò)程示意圖。
[0013]圖3是實(shí)施案例的光學(xué)元件裸鏡下的表面測(cè)量圖。
[0014]圖4是實(shí)施案例的光學(xué)元件預(yù)緊下的表面測(cè)量圖。
[0015]圖5是實(shí)施案例的光學(xué)元件預(yù)緊下的附加變形圖。
[0016]圖6是本實(shí)用新型撓性元件預(yù)緊下的鏡體受力分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和一個(gè)【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(yù)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(yù)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(kāi)有一個(gè)矩形槽，槽中間開(kāi)有矩形通孔，在通孔邊緣的槽面上開(kāi)有6個(gè)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(yù)緊螺釘6擰入鏡框組件2上的螺紋孔中從而對(duì)撓性件壓板7進(jìn)行固定，所述撓性件壓板7壓緊撓性元件5實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)有20個(gè)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(kāi)有34個(gè)螺紋孔，所述預(yù)緊螺釘6可以壓緊墊片4以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射鏡元件I的正面緊固。
[0019]本【具體實(shí)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(yù)緊后的總體面形偏差(PV值)小于310nm，裝配預(yù)緊導(dǎo)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(guān)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(shí)施方式】中所述螺釘及螺紋孔，均為細(xì)牙精制，進(jìn)行檢測(cè)后螺紋導(dǎo)程(螺距)誤差應(yīng)小于0.02mm。
[0020]在達(dá)到IS014644-1規(guī)定的5級(jí)空氣潔凈標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)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(yù)緊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)撓性單元實(shí)現(xiàn)大口徑反射鏡元件的精密預(yù)緊、高效裝配的方法，具有“建模估算-裝配預(yù)緊-檢測(cè)調(diào)整”的閉環(huán)控制特點(diǎn)，包括如下具體步驟(如圖2所示):
[0021 ]步驟I:在納米精度量級(jí)的Φ 600mm大口徑近紅外波長(zhǎng)移相干涉儀上，采用豎直放置方式，對(duì)反射鏡元件I的高精密鍍膜反射面(以下簡(jiǎn)稱鏡面)進(jìn)行精密測(cè)量，獲取反射鏡元件I的當(dāng)前面形(即裸鏡)的精準(zhǔn)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(shù)要求，則執(zhí)行如下裝配預(yù)緊操作。
[0022]步驟2:運(yùn)用有限元方法對(duì)反射鏡元件的安裝預(yù)緊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值建模，計(jì)算出保持反射鏡元件I表面變形滿足工藝技術(shù)要求，同時(shí)又能保持反射鏡元件I在給定的外部輸入機(jī)械\熱激勵(lì)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的最佳預(yù)緊力，含反射鏡元件I正面的壓緊力和四個(gè)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(gè)定位螺釘進(jìn)行固定，采用定值力矩扳手在鏡體壓板3上安裝34個(gè)預(yù)緊螺釘，壓緊墊片4實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度的撓性件壓板7。
[0026]步驟6:運(yùn)用設(shè)定壓力值的壓力裝置(加載壓力的精度優(yōu)于0.5%)對(duì)撓性件壓板7進(jìn)行加壓，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后保持I分鐘，再用定位及預(yù)緊螺釘6對(duì)撓性件壓板7進(jìn)行固定，并撤除壓力裝置。
[0027]步驟7:依次執(zhí)行對(duì)鏡體四側(cè)面的預(yù)緊后，完成對(duì)反射鏡元件I的一次周向緊固。
[0028]步驟8:在納米精度量級(jí)的Φ600mm大口徑近紅外波長(zhǎng)移相干涉儀上，采用豎直放置方式，對(duì)預(yù)緊完成后的反射鏡表面再次進(jìn)行精密測(cè)量，獲取反射鏡元件I當(dāng)前面形的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)(如圖4所示)。
[0029]步驟9:對(duì)前后兩次鏡面的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)做差，得到裝配預(yù)緊操作導(dǎo)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(xiàng)面形數(shù)據(jù)與工藝技術(shù)要求進(jìn)行比對(duì)，如果滿足工藝要求，則完成反射鏡元件的裝配預(yù)緊任務(wù)。
[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(shù)要求許可范圍，則以當(dāng)前的反射鏡元件I的面形數(shù)據(jù)和裝配預(yù)緊力操作參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行二次計(jì)算，給出需要調(diào)整的螺釘及其預(yù)緊力的優(yōu)化操作參數(shù)，運(yùn)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(xiàng)面形數(shù)據(jù)滿足工藝技術(shù)要求為止。
[0032]經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)案例實(shí)施及精密測(cè)量，在本實(shí)施方式下，重復(fù)進(jìn)行了5次反射鏡元件安裝預(yù)緊實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，反射鏡元件在撓性結(jié)構(gòu)預(yù)緊下實(shí)際預(yù)緊力控制精度高(偏差小于5%)、鏡體承受的預(yù)緊力分布均勻(偏差小于5.6%)，均穩(wěn)定達(dá)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(shí)間，從而大幅提高大口徑反射鏡元件的裝配效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(yù)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(kāi)有一個(gè)矩形槽，槽中間開(kāi)有矩形通孔，在通孔邊緣的槽面上開(kāi)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(yù)緊螺釘(6)擰入鏡框(2)上的螺紋孔中從而對(duì)撓性件壓板(7)進(jìn)行固定，所述撓性件壓板(7)壓緊撓性元件(5)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)有多個(gè)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(kāi)有多個(gè)螺紋孔采用定位及預(yù)緊螺釘(6)壓緊墊片(4)以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射鏡元件(I)的正面緊固。
【文檔編號(hào)】G02B7/183GK205539657SQ201620061857
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年1月21日
【發(fā)明人】王輝, 張政, 姚超, 周明星
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)