CN103235393B - 一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置 - Google Patents
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Abstract
一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，本发明涉及光学聚焦与频率转换装置，本发明为了解决现有惯性约束聚变装置中，存在光学元件难以在线拆装、结构复杂、成本高的问题，本发明包括倍频模块组件、光传输管道、透镜模块、真空密封取样模块和三倍频参数诊断包，倍频模块组件、光传输管道、透镜模块和真空密封取样模块依次且同轴连接在光路中；透镜模块包括透镜模块壳体、打靶透镜和驱动机构；真空密封取样模块包括真空密封壳体、主光路真空窗口、诊断包真空窗口、圆法兰、方法兰和屏蔽片；圆法兰与真空靶室的真空法兰对接。本发明适用于高通量大口径光学聚焦与频率转换。
Description
技术领域
本发明涉及光学聚焦与频率转换装置。
背景技术
惯性约束聚变ICF(Inertial Confinement Fusion)是实现可控热核聚变能源的主要途径之一，同时又可应用于国防、基础科学研究等领域。自20世纪60年代激光器问世以来，ICF研究已在世界范围内取得了重要进展。聚焦与频率转换系统位于整个激光链的末端，包含了多种大口径光学元件及其控制、传动系统和复杂的机械结构，是一个集成了光、机、电的复杂系统，是ICF装置的关键单元之一。
目前在惯性约束聚变装置中，存在光学元件难以在线拆装、结构复杂、成本高的问题，阻碍了惯性约束聚变装置的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有惯性约束聚变装置中，存在光学元件难以在线拆装、结构复杂、成本高的问题，提供一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置。
一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，它包括倍频模块组件、光传输管道、透镜模块、真空密封取样模块和三倍频参数诊断包，倍频模块组件、光传输管道、透镜模块和真空密封取样模块依次且同轴连接在光路中；倍频模块组件包括遮蔽壳体、1ωcpp、倍频模块和3ωcpp，其中，cpp为静态位相板，1ωcpp、倍频模块和3ωcpp均置于遮蔽壳体内腔中，1ωcpp、倍频模块和3ωcpp依次同轴连接在光路中；透镜模块包括透镜模块壳体、打靶透镜和驱动机构，透镜模块壳体为方筒体，打靶透镜固接在驱动机构上，驱动机构置于透镜模块壳体的内腔；真空密封取样模块包括真空密封壳体、主光路真空窗口、诊断包真空窗口、圆法兰、方法兰和屏蔽片，真空密封壳体为方锥筒体，主光路真空窗口与方法兰对应设置在真空密封壳体光的输入端，屏蔽片邻近主光路真空窗口设置在真空密封壳体内腔光路中，圆法兰设置在真空密封壳体光的输出端，真空密封壳体的一个侧壁开有诊断包真空窗口，三倍频参数诊断包通过诊断包真空窗口与真空密封取样模块连通；圆法兰与真空靶室的真空法兰对接。
本发明具有组件的模块化、元件的标准化、单元元件的插件化的特点，通过在常压下完成频率转换、谐波分离、激光聚焦的控制功能，在高真空条件下完成光束取样，解决了惯性约束核聚变用的一种高真空和常压混合布置的开放式高功率大口径光学聚焦与频率转换装置在线拆装的问题。从而实现了在线更换和拆装、靶碎片屏蔽。本发明结构简单、成本低。
附图说明
图1为本发明的俯视图，图2为本发明的系统结构装配示意图，图3为具体实施方式四中透镜模块的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，它包括倍频模块组件1、光传输管道2、透镜模块3、真空密封取样模块4和三倍频参数诊断包5，倍频模块组件1、光传输管道2、透镜模块3和真空密封取样模块4依次且同轴连接在光路中；倍频模块组件1包括遮蔽壳体1-1、1ωcpp1-2、倍频模块1-3和3ωcpp1-4，其中，cpp为静态位相板，1ωcpp1-2、倍频模块1-3和3ωcpp1-4均置于遮蔽壳体1-1内腔中，1ωcpp1-2、倍频模块1-3和3ωcpp1-4依次同轴连接在光路中；透镜模块3包括透镜模块壳体3-1、打靶透镜3-2和驱动机构3-3，透镜模块壳体3-1为方筒体，打靶透镜3-2固接在驱动机构3-3上，驱动机构3-3置于透镜模块壳体3-1的内腔；真空密封取样模块4包括真空密封壳体4-1、主光路真空窗口4-2、诊断包真空窗口4-4、圆法兰4-5、方法兰4-6和屏蔽片4-7，真空密封壳体4-1为方锥筒体，主光路真空窗口4-2与方法兰4-6对应设置在真空密封壳体4-1光的输入端，屏蔽片4-7邻近主光路真空窗口4-2设置在真空密封壳体4-1内腔光路中，圆法兰4-5设置在真空密封壳体4-1光的输出端，真空密封壳体4-1的一个侧壁开有诊断包真空窗口4-4，三倍频参数诊断包5通过诊断包真空窗口4-4与真空密封取样模块4连通；圆法兰4-5与真空靶室的真空法兰对接。
所述倍频模块1-3包括二倍频晶体组件、二倍频二维电动调角机构、三倍频晶体组件和三倍频二维电动调角机构，二倍频二维电动调角机构实现二倍频晶体的二维的偏摆和俯仰调整，三倍频二维电动调角机构实现三倍频晶体的二维的偏摆和俯仰调整。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，遮蔽壳体1-1还包括冲扫进气口和排气罩，遮蔽壳体1-1的顶部开有通透的孔洞作为冲扫进气口，遮蔽壳体1-1的底部对应开有通透的排气罩。
进行打靶实验及晶体拆装时，通过遮蔽壳体1-1冲扫进气口对倍频模块充入正压洁净气体，通过排气罩排除冲扫气体，保持组件内的洁净环境和实时洁净冲扫。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，透镜模块壳体3-1还包括冲扫进气口和排气罩，透镜模块壳体3-1的顶部开有通透的孔洞作为冲扫进气口，透镜模块壳体3-1的底部对应开有通透的排气罩。
进行打靶实验及透镜拆装时，透镜模块壳体3-1冲扫进气口对透镜模块充入正压洁净气体，通过排气罩排除冲扫气体，保持透镜模块内的洁净环境和实时洁净冲扫。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，透镜模块3还包括两个防尘插板3-4，透镜模块壳体3-1两端的上表面分别开有通透的槽，两个防尘插板3-4对应插入透镜模块壳体3-1两端的槽内。
透镜模块和真空取样密封模块之间可实现快速整体拆装，且透镜模块两端通过插板实现拆装和运输的洁净闭环。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，驱动机构3-3采用五维运动控制机构实现。
驱动机构3-3采用三维精密平移与偏摆电动调节共五维运动控制，所述运动控制采用电磁制动器来实现电机断电锁紧，结合合理的控制流程，从而保证打靶透镜3-2每维运动均独立解耦、高稳定性、高精度。使调焦过程中理论上无坐标耦合，有利于减少焦点的误差源，简化控制算法，减少调控周期。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，真空密封壳体4-1采用铝合金的方锥筒体。
壳体材料采用铝合金，防止中子活化。
具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，遮蔽壳体1-1、光传输管道2、透镜模块壳体3-1均采用铝合金的方筒体。
具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，它还包括两个支撑连接件6，所述两个支撑连接件6对应固接在遮蔽壳体1-1相对的两个外侧面上。
具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置的进一步限定，三倍频参数诊断包5包括能量卡计、光电管和两个取样反射镜。
本发明在实际应用中的具体实施过程：
1、真空密封取样模块为铝合金方锥筒体结构，其前端通过圆法兰与靶球连通，其后端为方形法兰且其后部通过真空隔离片真空密封，其侧面通过三倍频诊断包真空窗口与三倍频诊断包相连。其后端的方形法兰，作为基础支撑平台，透镜模块安装在该法兰上，通过螺栓连接，可实现真空密封取样模块和透镜模块的整体拆装。所述的三倍频诊断包真空窗口、真空隔离片与真空密封取样模块构成真空密封结构，内设屏蔽片LRU（LineReplaceable Unit）组件，所述屏蔽片设计成快速插拔结构；
2、所述的透镜模块机构由打靶透镜和五维运动的驱动机构组成，通过支撑框架结构固定在真空密封取样模块的方法兰上。透镜模块上面的透镜模块冲扫板通过搭扣相连，透镜模块冲扫板上面与之相连的是透镜模块冲扫盖板。所述的真空隔离片和打靶透镜可通过拆卸下透镜上方的透镜模块冲扫盖板和透镜模块冲扫板，在上方从透镜模块中拆装。透镜模块外壳采用铝合金板加氟橡胶圈、防尘插板和搭扣实现百级洁净防护密封。
3、所述的倍频模块组件由遮蔽防尘组件、静态位相板、1ωcpp、二倍频晶体（SHG）、三倍频晶体（THG）、3ωcpp和两个二维电动调角机构组成，通过支撑连接件分别固定于上层桁架或不锈钢支架之上。倍频模块后部是1ωcpp，其后面有电动通光遮蔽挡板组件，用于静态位相板防尘。所述的倍频模块前是3ωcpp组件，其前面通过光管道与透镜模块相连。倍频模块通过姿态调整板与桁架或不锈钢支架相连固定。
所述的倍频模块组件与透镜模块之间由光传输管道相连，倍频模块组件和透镜模块外壳采用铝合金板加氟橡胶圈和搭扣实现百级防护密封，便于日常维护、快速更换光学元件。壳体内部结构件的主要材料也为铝合金，防止中子活化。
为了实现光学元件的快速更换，将光学元件和其夹持框定义为光学元件模块，终端光学组件内共有7个光学元件模块，所述的光学元件模块设计为导轨和晶体框侧面带滚动轴承滚动摩擦方式实现低摩擦、低磨损插拔，有利于快速更换和简化操作，增强可维护性。全部光学元件均可实现在线并行拆装，其中所述的真空窗口和屏蔽片的更换需要在靶球恢复到常压的情况下进行。
所述的倍频模块组件由两个二维晶体调角机构、静态位相板防尘机构和1ωCPP、3ωCPP安装导向机构等组成。所述的调角机构都采用正交轴结构，由步进电机+滚珠丝杠实现直线微驱动，通过柔性环节转化为精密角度驱动，从而实现晶体最佳匹配角的二维电动调整，偏振态调整采用离线调整方式，调整完成后用螺钉锁紧。在1ωCPP、3ωCPP插拔方面有导向滑道、快速锁紧机构，实现了双晶体安装、且实现可互换；保证了光学元件安装的便捷性、通用性和扩展性。
进行整体拆卸时先给透镜模块充入正压洁净气体，分别打开透镜LRU拆装口舱门和另一端的洁净防护插板口舱门，插入两端防护插板，重新盖好各自的密封舱门，运输至百级洁净间；安装时按逆向流程操作。
开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换系统的结构设计准则：材料选择低中子活化、元件的标准化、各个分系统的模块化和单元元件的插件化，动态冲扫保障装置百级洁净。完成了常压下实现频率转换、谐波分离、激光聚焦的控制功能，在高真空条件下完成光束取样等功能。
本发明首次解决了我国惯性约束核聚变装置用的一种高真空和常常压混合布置的开放式高功率大口径光学聚焦与频率转换装置问题。本发明还具有便于在线更换和拆装的模块化设计、动态冲扫便于洁净清洗，高真空和常压合理布局利于洁净、低成本。
本发明具以下突出优点：
一、模块化设计，整体拆装，结构紧凑、易拆卸、易维护、精度高；
二、光学元件可在线拆装，快速锁紧，实现便捷性。
三、集激光整形、激光倍频、激光束聚焦注入、参数取样、靶碎片屏蔽等多种功能于一体；
四、在强辐射、超洁净、高真空及大气条件下可靠性强，且避免中子活化的危害；
五、污染物动态洁净冲扫、实现全流程闭环洁净。
六、相同性质的晶体框具有可互换性、通用性和可扩展性。
Claims (9)
1.一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其组成包括：透镜模块(3)和真空密封取样模块(4)；所述真空密封取样模块(4)包括真空密封壳体(4-1)、主光路真空窗口(4-2)、圆法兰(4-5)和屏蔽片(4-7)，其中，圆法兰(4-5)与真空靶室的真空法兰对接且圆法兰(4-5)设置在真空密封壳体(4-1)光的输出端，屏蔽片(4-7)邻近主光路真空窗口(4-2)设置在真空密封壳体(4-1)内腔光路中，其特征是，所述光学聚焦与频率转换装置还包括倍频模块组件(1)、光传输管道(2)和三倍频参数诊断包(5)，倍频模块组件(1)、光传输管道(2)、透镜模块(3)和真空密封取样模块(4)依次且同轴连接在光路中；倍频模块组件(1)包括遮蔽壳体(1-1)、1ωcpp(1-2)、倍频模块(1-3)和3ωcpp(1-4)，其中，cpp为静态位相板，1ωcpp(1-2)、倍频模块(1-3)和3ωcpp(1-4)均置于遮蔽壳体(1-1)内腔中，1ωcpp(1-2)、倍频模块(1-3)和3ωcpp(1-4)依次同轴连接在光路中；透镜模块(3)包括透镜模块壳体(3-1)、打靶透镜(3-2)和驱动机构(3-3)，透镜模块壳体(3-1)为方筒体，打靶透镜(3-2)固接在驱动机构(3-3)上，驱动机构(3-3)置于透镜模块壳体(3-1)的内腔；真空密封取样模块(4)还包括诊断包真空窗口(4-4)和方法兰(4-6)，真空密封壳体(4-1)为方锥筒体，主光路真空窗口(4-2)与方法兰(4-6)对应设置在真空密封壳体(4-1)光的输入端，真空密封壳体(4-1)的一个侧壁开有诊断包真空窗口(4-4)，三倍频参数诊断包(5)通过诊断包真空窗口(4-4)与真空密封取样模块(4)连通。
2.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于，遮蔽壳体(1-1)还包括冲扫进气口和排气罩，遮蔽壳体(1-1)的顶部开有通透的孔洞作为冲扫进气口，遮蔽壳体(1-1)的底部对应开有通透的排气罩。
3.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于，透镜模块壳体(3-1)还包括冲扫进气口和排气罩，透镜模块壳体(3-1)的顶部开有通透的孔洞作为冲扫进气口，透镜模块壳体(3-1)的底部对应开有通透的排气罩。
4.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于，透镜模块(3)还包括两个防尘插板(3-4)，透镜模块壳体(3-1)两端的上表面分别开有通透的槽，两个防尘插板(3-4)对应插入透镜模块壳体(3-1)两端的槽内。
5.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于，驱动机构(3-3)采用五维运动控制机构实现。
6.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于，真空密封壳体(4-1)采用铝合金的方锥筒体。
7.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于,遮蔽壳体(1-1)、光传输管道(2)、透镜模块壳体(3-1)均采用铝合金的方筒体。
8.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于，它还包括两个支撑连接件(6)，所述两个支撑连接件(6)对应固接在遮蔽壳体(1-1)相对的两个外侧面上。
9.根据权利要求1所述一种开放式高通量大口径光学聚焦与频率转换装置，其特征在于，三倍频参数诊断包(5)包括能量卡计、光电管和两个取样反射镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Jiaxuan Inventor after: Xie Wenkun Inventor after: Liu Haitao Inventor after: Yu Fuli Inventor after: Zhang Qingchun Inventor after: Liang Yingchun Inventor before: Liang Yingchun Inventor before: Chen Jiaxuan Inventor before: Xie Wenkun Inventor before: Liu Haitao Inventor before: Yu Fuli Inventor before: Zhang Qingchun |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LIANG YINGCHUN CHEN JIAXUAN XIE WENKUN LIU HAITAO YU FULI ZHANG QINGCHUN TO: CHEN JIAXUAN JIE WENKUN LIU HAITAO YU FULI ZHANG QINGCHUN LIANG YINGCHUN |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150422 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |