CN105487199A - 惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构及预紧方法 - Google Patents
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Abstract
一种惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构及预紧方法，该结构包括高精度反射镜元件、镜框组件、镜体压板、垫片、挠性元件、挠性件压板及安装零部件的螺钉；所述反射镜元件装入镜框后，在其高精度镀膜反射面，由镜体压板压紧垫片进行固定预紧；在镜框组件的周向，四侧面上均开有一个矩形槽，槽中间开有矩形通孔；挠性元件装入矩形通孔后，由挠性件压板进行压紧；在高洁净光学装配工作环境下，挠性元件能够对大口径激光反射镜元件进行精确预紧和均匀施力，反射镜元件可以通过“建模估算-装配预紧-检测调整”的闭环控制方式达到极高的面形精度，实现惯性约束聚变装置高功率固体激光系统大口径反射镜元件的精密、洁净、高效的装配。
Description
技术领域
本发明涉及激光惯性约束聚变装置中高功率固体激光驱动器中的大口径光学元件精密制造及装配领域，具体涉及一种惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构及预紧方法。
背景技术
激光惯性约束聚变装置广泛使用了数以千计的大口径光学元件，用以完成千焦耳级能量的激光束的放大、滤波及传输，并最终实现强激光束的精确汇聚产生能够引发聚变反应的特殊物理条件。传输反射镜是高功率固体激光装置中最大的光学器件，在激光束编组传输过程中发挥对激光束进行位置调整、方向对准、光程匹配(使每束激光光程相同)等重要功能。在激光传输过程中，反射镜的表面精度会对激光束的波前性能有一定的影响，所以，为了保障激光束的质量，大口径激光反射镜在制造、装配、安装过程中都必须有极严格的工艺技术要求——例如，某激光传输反射镜要求在400mm×400mm的镜面尺度上保障面形误差控制在纳米量级，这已经近乎当前光学/机械工程的极限水平！
我国激光惯性约束聚变装置的大口径反射镜所采用的装配结构及预紧技术方法，存在着某些原理性缺陷。因此，在大口径激光反射镜的装配过程中，反射镜元件上各个紧固点的夹持力偏差过大、均匀性差，导致了光学元件应力分布不均、面形精度差、误差大，并且装配预紧\检测调整的操作过程复杂、工作周期长等突出问题，已经难以适应激光惯性约束聚变装置对大口径光学元件精密高效装配技术的迫切需求。
发明内容
从满足激光惯性约束聚变装置对大口径光学元件精密高效装配技术的迫切需求出发，针对大口径反射镜旧有的装配结构及预紧方法中的内在不足，本发明提供一种惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构及预紧方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构，包括反射镜元件1、镜框组件2、镜体压板3、垫片4、挠性元件5、定位及预紧螺钉6和挠性件压板7；所述镜框组件2为矩形，在四侧面上均开有一个矩形槽，槽中间开有矩形通孔，在通孔边缘的槽面上开有多个螺纹孔；所述挠性元件5装入矩形镜框2四侧面的矩形通孔中，与装入镜框组件2中的矩形反射镜元件1直接接触，所述挠性件压板7装入镜框组件2四侧面的矩形槽中，压紧挠性元件5；所述定位及预紧螺钉6拧入镜框2上的螺纹孔中从而对挠性件压板7进行固定，所述挠性件压板7压紧挠性元件5实现对于反射镜元件1的周向紧固；在所述镜框组件2的正面一侧的四侧面开有多个螺纹孔，用于安装矩形框状结构的镜体压板3以固定反射镜元件1，所述矩形框状结构的镜体压板3和反射镜元件1的镜面之间插入垫片4；在镜体压板3上开有多个螺纹孔采用定位及预紧螺钉6压紧垫片4以实现对反射镜元件1的正面紧固。
所述惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构的预紧及装配方法，具有“建模估算-装配预紧-检测调整”的闭环控制特点。在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境下，具体执行如下步骤：
步骤1:在纳米精度量级的大口径激光干涉仪上，采用竖直放置方式，对反射镜元件1的高精密镀膜反射面(以下简称镜面)进行精密测量，获取反射镜元件1的当前面形(即裸镜)的精准数据；如果所获反射镜元件1的面形数据满足工艺技术要求，则执行如下装配预紧操作；
步骤2:基于反射镜元件镜面变形的公差要求和给定的外部输入机械/热激励条件，利用结构力学方法，计算出保持反射镜元件结构稳定所需要的压紧力，含反射镜元件1正面的压紧力和四个侧面上的压紧力；
步骤3:用大口径真空吸盘吸紧反射镜元件1，精确装入镜框2；
步骤4:在反射镜正面的四边缘，放入垫片4，然后安装矩形框状结构的镜体压板3，安装多个定位螺钉进行固定，采用定值力矩扳手在镜体压板3上安装多个预紧螺钉，压紧垫片4实现对反射镜元件1的正面紧固。
步骤5:在镜框组件2四侧面的矩形通孔中，安装入与矩形通孔等长度的挠性元件5，与矩形反射镜元件1直接接触，在镜框组件2四侧面的矩形槽中，安装入与矩形槽等长度的挠性件压板7；
步骤6:运用设定压力值的压力装置对挠性件压板7进行加压，达到稳定状态后保持1分钟，再用定位及预紧螺钉6对挠性件压板7进行固定，并撤除压力装置；
步骤7:依次执行对镜体四侧面的预紧后，完成对反射镜元件1的一次周向紧固；
步骤8:在纳米精度量级的大口径激光干涉仪上，采用竖直放置方式，对预紧完成后的反射镜表面再次进行精密测量，获取反射镜元件1当前面形的精准数据；
步骤9:对前后两次镜面的面形数据进行逐点做差，得到装配预紧操作导致的反射镜元件附加表面变形数据；将所获得反射镜元件1的各项面形数据与工艺技术要求进行比对，如果满足工艺要求，则完成反射镜元件的装配预紧任务；
步骤10:如果所获得反射镜元件1的面形数据超出工艺技术要求许可范围，则以当前的反射镜元件1的面形数据和装配预紧力操作参数为基础，进行二次计算，给出需要调整的螺钉及其预紧力的优化操作参数，运用加力装置执行操作；
步骤11:继续执行步骤8、9及10的操作，直到反射镜元件1的各项面形数据满足工艺技术要求为止。
本发明的有益效果是：针对激光惯性约束聚变装置对大口径光学元件精密高效装配技术的迫切需求，提出了一种基于挠性元件对大口径反射镜光学元件进行安装预紧的装配结构，并在此基础上，提出了大口径反射镜元件的精密预紧、高效装配的工艺技术方法。本发明能够克服传统激光反射镜元件的预紧力偏差大、应力分布不均等典型问题，通过在反射镜元件侧面预紧中采用整体式挠性单元，实现了：
一、能够准确地控制加载在反射镜元件的侧边上的预紧力大小，避免传统设计中实际预紧力偏离名义预紧力过大、不确定明显的问题，提高了工艺方法的一致性和可控性。
二、能够在反射镜元件的侧边上有效地均化预紧力，使传递到反射镜镜体上压力较为均匀，从而有效减小由于应力集中导致的附加表面变形。
三、能够在反射镜单元装配预紧的过程中，通过“建模估算-装配预紧-检测调整”的闭环控制方式，实现了大口径反射镜元件面形误差的严格控制和装配效率大幅提升的目标，为我国激光惯性约束聚变装置大口径光学元件精密高效装配技术的发展和应用提供了新动力。
附图说明
图1是本发明所涉大口径反射镜单元的装配结构图。
图2是本发明大口径反射单元闭环控制的集成安装过程示意图。
图3是实施案例的光学元件裸镜下的表面测量图。
图4是实施案例的光学元件预紧下的表面测量图。
图5是实施案例的光学元件预紧下的附加变形图。
图6是本发明挠性元件预紧下的镜体受力分布图。
具体实施方式
下面结合附图和一个具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种惯性约束聚变用大口径反射镜的装配及预紧结构，包括反射镜元件1、镜框组件2、镜体压板3、垫片4、挠性元件5、定位及预紧螺钉6、挠性件压板7。所述镜框组件2为矩形，在四侧面上均开有一个矩形槽，槽中间开有矩形通孔，在通孔边缘的槽面上开有6个螺钉孔。所述挠性元件5装入矩形镜框2四侧面的矩形通孔中，与矩形反射镜元件1直接接触，所述挠性件压板7装入镜框组件2四侧面的矩形槽中，压紧挠性元件5。所述定位及预紧螺钉6拧入镜框组件2上的螺纹孔中从而对挠性件压板7进行固定，所述挠性件压板7压紧挠性元件5实现对于反射镜元件1的周向紧固。在所述镜框组件2的正面一侧，开有20个螺纹孔，用于安装矩形框状结构的镜体压板3以固定反射镜元件1，所述矩形框状结构的镜体压板3和反射镜元件1的镜面之间插入垫片4。在镜体压板3上开有34个螺纹孔，所述预紧螺钉6可以压紧垫片4以实现对反射镜元件1的正面紧固。
本具体实施方式中，所述反射镜元件1的主要尺寸为610mm×440mm×85mm，材料为K9玻璃，镜面为平面，要求面形加工偏差(波峰-波谷值，PV值)小于100nm，装配预紧后的总体面形偏差(PV值)小于310nm，装配预紧导致的附加面形偏差(PV值)小于220nm。所述镜框组件2为铝合金材料，尺寸公差优于±0.05mm，所述镜体压板3为铝合金材料，厚度大于5mm，所述垫片4为紫铜材料，厚度公差优于±0.01mm，所述挠性元件5形状如图1示为连续梯形结构，材料为铝合金，厚度小于1.5mm，关键尺寸公差优于±0.05mm，所述挠性件压板7为矩形，合金钢材料，厚度大于2mm。此外，本具体实施方式中所述螺钉及螺纹孔，均为细牙精制，进行检测后螺纹导程(螺距)误差应小于0.02mm。
在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境下，以上述惯性约束聚变用大口径反射镜的装配及预紧结构为基础，通过挠性单元实现大口径反射镜元件的精密预紧、高效装配的方法，具有“建模估算-装配预紧-检测调整”的闭环控制特点，包括如下具体步骤(如图2所示)：
步骤1:在纳米精度量级的Φ600mm大口径近红外波长移相干涉仪上，采用竖直放置方式，对反射镜元件1的高精密镀膜反射面(以下简称镜面)进行精密测量，获取反射镜元件1的当前面形(即裸镜)的精准数据(如图3所示)。如果所获反射镜元件1的面形数据满足工艺技术要求，则执行如下装配预紧操作。
步骤2:运用有限元方法对反射镜元件的安装预紧过程进行数值建模，计算出保持反射镜元件1表面变形满足工艺技术要求，同时又能保持反射镜元件1在给定的外部输入机械\热激励下结构稳定的最佳预紧力，含反射镜元件1正面的压紧力和四个侧面上的压紧力。
步骤3:用大口径真空吸盘吸紧反射镜元件1，精确装入镜框组件2。
步骤4:在反射镜正面的四边缘，放入垫片4，然后安装矩形框状结构的镜体压板3，安装20个定位螺钉进行固定，采用定值力矩扳手在镜体压板3上安装34个预紧螺钉，压紧垫片4实现对反射镜元件1的正面紧固。
步骤5:在镜框组件2四侧面的矩形通孔中，安装入与矩形通孔等长度的挠性元件5，与矩形反射镜元件1直接接触，在镜框组件2四侧面的矩形槽中，安装入与矩形槽等长度的挠性件压板7。
步骤6:运用设定压力值的压力装置(加载压力的精度优于0.5％)对挠性件压板7进行加压，达到稳定状态后保持1分钟，再用定位及预紧螺钉6对挠性件压板7进行固定，并撤除压力装置。
步骤7:依次执行对镜体四侧面的预紧后，完成对反射镜元件1的一次周向紧固。
步骤8:在纳米精度量级的Φ600mm大口径近红外波长移相干涉仪上，采用竖直放置方式，对预紧完成后的反射镜表面再次进行精密测量，获取反射镜元件1当前面形的精准数据(如图4所示)。
步骤9:对前后两次镜面的面形数据进行逐点做差，得到装配预紧操作导致的反射镜元件附加表面变形数据。(如图5所示)。将所获得反射镜元件1的各项面形数据与工艺技术要求进行比对，如果满足工艺要求，则完成反射镜元件的装配预紧任务。
步骤10:如果所获得反射镜元件1的面形数据超出工艺技术要求许可范围，则以当前的反射镜元件1的面形数据和装配预紧力操作参数为基础，进行二次计算，给出需要调整的螺钉及其预紧力的优化操作参数，运用加力装置执行操作。
步骤11:继续执行步骤8、9及10的操作，直到反射镜元件1的各项面形数据满足工艺技术要求为止。
经现场案例实施及精密测量，在本实施方式下，重复进行了5次反射镜元件安装预紧实验，如图6所示，反射镜元件在挠性结构预紧下实际预紧力控制精度高(偏差小于5％)、镜体承受的预紧力分布均匀(偏差小于5.6％)，均稳定达到了反射镜面形精度控制的要求；在满足镜面面形精度要求的条件下，较传统的方式(装配结构及工艺路线)能够减少50％的工作时间，从而大幅提高大口径反射镜元件的装配效率。
Claims (2)
1.一种惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构，其特征在于：包括反射镜元件(1)、镜框组件(2)、镜体压板(3)、垫片(4)、挠性元件(5)、定位及预紧螺钉(6)和挠性件压板(7)；所述镜框组件(2)为矩形，在四侧面上均开有一个矩形槽，槽中间开有矩形通孔，在通孔边缘的槽面上开有多螺纹孔；所述挠性元件(5)装入矩形镜框(2)四侧面的矩形通孔中，与装入镜框组件(2)中的矩形反射镜元件(1)直接接触，所述挠性件压板(7)装入镜框组件(2)四侧面的矩形槽中，压紧挠性元件(5)；所述定位及预紧螺钉(6)拧入镜框(2)上的螺纹孔中从而对挠性件压板(7)进行固定，所述挠性件压板(7)压紧挠性元件(5)实现对于反射镜元件(1)的周向紧固；在所述镜框组件(2)的正面一侧的四侧面开有多个螺纹孔，用于安装矩形框状结构的镜体压板(3)以固定反射镜元件(1)，所述矩形框状结构的镜体压板(3)和反射镜元件(1)的镜面之间插入垫片(4)；在镜体压板(3)上开有多个螺纹孔采用定位及预紧螺钉(6)压紧垫片(4)以实现对反射镜元件(1)的正面紧固。
2.权利要求1所述惯性约束聚变用大口径反射镜的精密装配结构的预紧及装配方法，其特征在于：具有“建模估算-装配预紧-检测调整”的闭环控制特点。在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境下，具体执行如下步骤：
步骤1:在纳米精度量级的大口径激光干涉仪上，采用竖直放置方式，对反射镜元件(1)的镜面面形进行精密测量，获取反射镜元件(1)的当前面形的精准数据；如果所获反射镜元件(1)的面形数据满足工艺技术要求，则执行如下装配预紧操作；
步骤2:基于反射镜元件镜面变形的公差要求和给定的外部输入机械/热激励条件，利用结构力学方法，计算出保持反射镜元件结构稳定所需要的压紧力，含反射镜元件(1)正面的压紧力和四个侧面上的压紧力；
步骤3:用大口径真空吸盘吸紧反射镜元件(1)，精确装入镜框组件(2)；
步骤4:在反射镜正面的四边缘，放入垫片(4)，然后安装矩形框状结构的镜体压板(3)，安装多个定位螺钉进行固定，采用定值力矩扳手在镜体压板(3)上安装多个预紧螺钉，压紧垫片(4)实现对反射镜元件(1)的正面紧固；
步骤5:在镜框组件(2)四侧面的矩形通孔中，安装入与矩形通孔等长度的挠性元件(5)，与反射镜元件(1)直接接触，在镜框组件(2)四侧面的矩形槽中，安装入与矩形槽等长度的挠性件压板(7)；
步骤6:运用设定压力值的压力装置对挠性件压板(7)进行加压，达到稳定状态后保持1分钟，再用定位及预紧螺钉(6)对挠性件压板(7)进行固定，并撤除压力装置；
步骤7:依次执行对镜体四侧面的预紧后，完成对反射镜元件(1)的一次周向紧固；
步骤8:在纳米精度量级的大口径激光干涉仪上，采用竖直放置方式，对预紧完成后的反射镜表面再次进行精密测量，获取反射镜元件(1)当前面形的精准数据；
步骤9:对前后两次镜面的面形数据进行逐点做差，得到装配预紧操作导致的反射镜元件附加表面变形数据；将所获得反射镜元件(1)的面形数据与工艺技术要求进行比对，如果满足工艺要求，则完成反射镜元件的装配预紧任务；
步骤10:如果所获得反射镜元件(1)的面形数据超出工艺技术要求许可范围，则以当前的反射镜元件(1)的面形数据和装配预紧力操作参数为基础，进行二次计算，给出需要调整的螺钉及其预紧力的优化操作参数，运用加力装置执行操作；
步骤11:继续执行步骤8、9及10的操作，直到反射镜元件(1)的各项面形数据满足工艺技术要求为止。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |