CN109622555A - 一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统和方法，属于高功率激光装置技术研究领域。所述系统包括层流单元和风刀单元；所述层流单元用于提供动态洁净层流，所述风刀单元用于提供高压风刀气帘。高功率终端光学系统在长期运行中会在其内部的光学元件表面沉积打靶产生的粉尘和气溶胶污染物，导致光学元件的寿命大大缩短，终端光学元件的洁净控制已经成为限制装置高通量运行的瓶颈，本发明因此提出了风刀气帘防护与洁净层流防护相耦合实现光学元件表面洁净管控的技术措施，可防止打靶产生的粉尘和气溶胶污染物附着于光学元件表面，并将其及时排出终端光学系统，因而可长期维持终端光学系统内光学元件表面的洁净。

Description

一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统和方法
技术领域
本发明高功率激光装置技术研究领域，具体涉及一种用于高功率终端光学系统内光学元件洁净吹扫的动态洁净维持系统和方法。
背景技术
在高功率激光装置中，光学元件的负载能力是装置输出能力的决定因素之一，而光学元件的洁净状态又直接影响光学元件负载能力。研究发现，光学元件在激光辐照条件下，会产生大量的粉尘和气溶胶污染物，特别是光学元件存在表面损伤时，污染物呈倍数的增加；微米级污染物一旦粘附到光学元件表面，再依靠气流吹扫极难去除。另一方面，终端光学系统由于存在多种不同角度的放置方式，且内部有复杂的电气等其它的辅助设备，它们进一步为洁净吹扫气流场的创造增加了难度。因此，终端光学系统的洁净吹扫及管控技术一直是一个世界难题。
为有效去除终端光学元件表面的污染物，同时又不影响光学元件的性能，相关科研人员进行了广泛的研究。美国国家点火装置和中国某大型激光装置的终端光学系统均采用了气氛室环境下的小气量气体置换技术，长期运行结果表明，光学元件表面的洁净问题没有得到有效解决，终端光学系统内沉积了大量的光学元件损伤后产生的粉尘和气溶胶污染物，导致洁净的光学元件上架后被迅速污染，光学元件的寿命大幅缩短，这已经成为限制驱动器负载能力和高通量运行的瓶颈。
综上所述，高功率激光装置终端光学系统内洁净状态是限制终端光学元件负载能力的主要因素，而现有的洁净管控方法不能有效地保障终端光学元件乃至终端腔体的洁净，这极大地限制了高功率激光装置输出能力的提升，因此，需要一种有效的终端光学系统洁净吹扫方法，提升终端光学元件的负载能力。
发明内容
本发明的发明目的在于为了在线清洁激光装置打靶后的产生的污染物，维持终端腔体及终端光学元件的洁净，改善光学元件的激光诱发损伤而提出了一种洁净吹扫系统和方法。所述系统和方法以高压风刀气帘阻断污染物在光学元件表面的沉降，动态洁净层流及时将污染物排出腔体，构建“风刀”+“层流”的气体吹扫模式，可快速地将污染物带出终端光学系统的腔体，长期维持光学元件表面的洁净。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统，用于对终端光学系统腔体以及腔体内的光学元件进行洁净吹扫，所述动态洁净维持系统包括风刀单元和层流单元；
所述层流单元用于提供动态洁净层流对尘埃污染物进行清除，所述风刀单元用于提供高压风刀气帘对污染物在光学元件上的沉降进行阻断和隔离。在气体对流通道上，无任何遮挡气流的结构件。
所述层流单元包括外部的层流送风机组(16)、层流送风管道(8)、终端光学系统的进风匀压箱(3)、回流匀压箱(14)和回风管道(17)，所述层流送风机组(16)产生的新风即层流送风气体(7)经由层流送风管道(8)经过进风匀压箱(3)后，在终端光学系统的腔体内形成层流气流场(12)，将光学元件(10)产生的污染物带出并通过回流匀压箱(14)回至层流回风管道(17)送至外部层流送风机组(16)的过滤器中。
所述风刀单元由高压洁净气源(15)、风刀气体管道(6)和风刀出口(1)组成，所述高压洁净气源(15)提供的高压洁净气体(2)经风刀气体管道(6)和狭缝状的风刀出口(1)后在光学元件(10)表面形成气帘(9)，并将光学元件(10)产生的污染物带出，该气帘(9)最终与层流气流场(12)一起通过回流匀压箱(14)回至层流单元的层流回风管道(17)中。
层流送风机组(16)由风机和洁净过滤设备组成，进风匀压箱(3)的结构由箱体、端盖和高效过滤器组成，回流匀压箱(14)的结构由箱体、端盖和多孔板组成。
另一方面本发明提供了一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，所述方法是基于前述任一终端光学系统动态洁净维持系统实现的，包括如下步骤：
步骤S1，动态洁净维持系统预启动，对终端光学系统和动态洁净维持系统进行初始化设置，并按照设定的预启动操作将层流单元小循环开启；
步骤S2，在收到启动信号的第一时间T1内按照设定的第一启动时序将风刀单元和层流单元开启，并对终端光学系统腔体内的污染物进行清除；
步骤S3，经过第二时间T2后按照设定的第一关闭时序在第三时间T3内依次关闭层流单元和风道单元，完成对所述光学系统动态洁净。
所述步骤S1中的初始化设置为根据光学元件口径、使用角度的限制和需洁净吹扫的污染物大小的量级，并耦合终端系统的光学设计，确定光学元件间的间距。
所述步骤S1中的初始化设置为根据终端光学系统内光学元件的口径、使用角度、环境特性和需去除污染物的粒子大小，耦合终端系统的光学设计，确定光学元件间的间距，确保光学元件的间距大于主要污染物在腔体环境中的粒子自由程。
所述第一启动时序是在收到启动信号的第一时间T1内将风刀单元和层流单元依次快速开启，风刀单元先于层流单元启动；所述第一关闭时序是在收到关闭信号的第三时间T3内依次关闭层流单元和风刀单元，风刀单元晚于层流单元关闭。
所述第一时间T1要求不大于10s，所述第二时间T2为5min，所述第三时间T3要求不大于10s。
进一步的，通过流体动力学模型确定风刀气帘(9)的风速为20m/s，风刀出口(1)为450mm×0.05mm的口径，采用DN12的风刀气体管道(6)将高压洁净气体(15)送至风刀出口(1)，高压气体(2)的压力约为0.2MPa；终端光学系统腔体的内径约为600mm，由此确定层流气体流速为0.3m/s，进一步根据层流风的流速要求确定层流送风机组(16)、进风匀压箱(3)和回风匀压箱(11)的尺寸，其中层流送风管道(8)为300mm×150mm，管道内的压力为2000Pa。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明提出了风刀气帘防护和洁净层流防护的耦合作用实现光学元件表面洁净管控的技术措施，采用风刀气帘阻断污染物在光学元件表面的沉降，采用动态洁净层流及时的将污染物排出组件内，将打靶产生的粉尘和气溶胶污染物及时排出终端光学分系统，并防止其在光学元件表面的附着。
2.本发明提出的技术措施与光学元件不存在硬件接触，不会影响终端光学系统的光学性能，能长期维持光学元件表面的洁净。本发明为终端光学系统的结构设计和动态洁净维持设计提供了技术指导。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是高功率激光装置终端光学系统某光学元件的洁净吹扫示意图。
图2是高功率激光装置终端光学系统洁净吹扫的流程设计。
其中，1-风刀出口，2-风刀送风气体，3-进风匀压箱，4-层流出风口，5-层流出风，6-风刀气体管道，7-层流送风气体，8-层流送风管道，9-风刀气流场，10-光学元件，11-层流回风气体，12-层流气流场，13-层流回风匀压板，14-回流匀压箱，15-高压风刀气源，16-层流送风机组，17-层流回风管道。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1所示为一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统的示意图，其中单束终端光学系统内的光学元件(10)为一个二倍频晶体元件，该光学元件(10)位于终端光学系统的腔体内、且位于基频窗口和三倍频晶体之间，元件尺寸为430mm。在实际应用中激光打靶时由于激光烧蚀，会在终端光学系统的腔体内形成大量高速运动的粉尘和气溶胶污染物，由于光学元件及一些附属设备的影响，常规的洁净吹扫会在光学元件附近会形成涡流，造成粉尘和气溶胶污染物不能及时排除腔体外，甚至还存在附着在光学元件表面的危险。
为提升该光学元件(10)的使用环境，将通过本实施例提供的光学系统动态洁净维持的系统进行处理。
所述用于高功率终端光学系统动态洁净维持的系统包括层流单元和风刀单元。
所述层流单元包括外部的层流送风机组(16)、层流送风管道(8)、终端光学系统的进风匀压箱(3)、回流匀压箱(14)和回风管道(17)。层流送风机组(16)由风机和洁净过滤设备组成，进风匀压箱(3)的结构由箱体、端盖和高效过滤器组成，回流匀压箱(14)的结构由箱体、端盖和多孔板组成。所述层流送风机组(16)产生的新风即层流送风气体(7)经由层流送风管道(8)经过进风匀压箱(3)后，在终端光学系统的腔体内形成层流气流场(12)，将光学元件(10)产生的污染物带出并通过回流匀压箱(14)回至层流回风管道(17)送至外部层流送风机组(16)的过滤器中。所述外部的层流送风机组(16)的送风量根据层流流速监测结果进行调节。
所述层流单元用于提供动态洁净层流，主要考虑尘埃污染物重力的影响，层流的气流方向采用由上向下的方式，然后以流场稳定为目标，根据腔体的体积和相关边界条件，通过建立流体动力学模型确定层流风的风速。在一个实施例中在米量级的腔体结构下，优化的层流气体流速约为0.3m/s。
所述风刀单元由高压洁净气源(15)、风刀气体管道(6)和风刀出口(1)组成。所述高压洁净气源(15)提供的高压洁净气体(2)经风刀气体管道(6)和狭缝状的风刀出口(1)后在光学元件(10)表面形成气帘(9)，并将光学元件(10)产生的污染物带出，该气帘(9)最终与层流气流场(12)一起通过回流匀压箱(14)回至层流单元的层流回风管道(17)中。所述高压洁净气源的压力(15)根据风刀流速的监测结果进行调节。
风刀单元用于提供高压风刀气帘，是为了防止层流风在光学元件附近形成的涡流而无法排除打靶后产生的尘埃和气溶胶污染物，从而在光学元件表面的两侧设计了高压风刀气帘。在一个实施例中，通过流体动力学模型确定风刀气帘的风速需不低于20m/s，可保障微米量级的尘埃和气溶胶不附着于光学元件表面。
针对污染物在光学元件表面沉降的问题，采用风刀单元提供的高压风刀气帘对其进行阻断和隔离，风刀流速不低于20m/s可有效隔离微米级的粉尘和气溶胶污染物；针对污染物的去除问题，采用层流单元提供的动态洁净层流气体将污染物排出腔体，层流气体的流速控制在0.3m/s左右可保障气流场的稳定。
进一步的，为避免动态层流在单独吹扫过程造成污染物在光学元件上的沉降，还需要对动态洁净吹扫流程进行设计，在流程上需严格控制风刀气帘与洁净层流的时序。在一个实施例中时序上风刀单元提供的风刀气帘先于层流单元提供的动态洁净层流启动、且晚于动态洁净层流关闭。风刀单元需先于层流单元启动，晚于层流单元关闭，并且要求风刀单元和层流单元在打靶后迅速开启，启动时间不大于10s。
在一个实施例中需要对终端光学系统内的多个光学元件的间距进行优化，根据终端光学系统内光学元件的口径、使用角度、环境特性和需去除污染物的粒子大小，耦合终端系统的光学设计，优化光学元件的间距，确保光学元件的间距大于主要污染物在腔体环境中的粒子自由程。具体而言所述光学元件的间距是指待洁净的光学元件与前后元件的间距需不小于100mm。
在一个实施例中还需要对终端光学系统腔体结构进行设计；受到终端光学系统结构设计限制，很难在腔体内形成非常理想的层流状态。如果在腔体内部形成紊流或涡流，气溶胶等污染物需要较长时间才能排出组件；而且紊流或涡流可能将污染物带到光学元件表面并导致其光学元件表面。为防止气体流场产生涡流使局部污染物长时间滞留，终端光学系统腔体结构设计优先将光学与结构部分进行功能分区，实现在光学功能区的气体对流通道上，无任何遮挡气流的结构件，利于形成稳定的层流状态，其中所述气体对流通道是指高压风刀气帘和净层流分别从风刀出口(1)和进风匀压箱(3)回到回流匀压箱(14)的一段风路通道。
实施例2
本实施例为一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，所述方法是基于前述任一终端光学系统动态洁净维持系统实现的，如图2所示，该方法具体实施步骤如下：
步骤S1，动态洁净维持系统预启动，对终端光学系统和动态洁净维持系统进行初始化设置，并按照设定的预启动操作将层流单元小循环开启；
根据光学元件口径430mm、使用角度的限制，基于需洁净吹扫的污染物大小为微米量级，并耦合终端系统的光学设计，确定了二倍频晶体和前后元件的间距需不小于100mm。同时，为防止气体流场产生涡流使局部污染物长时间滞留，终端光学系统腔体结构设计将光学与结构部分进行功能分区，在光学功能区的气体对流通道上，无任何遮挡气流的结构件。
所述按照设定的预启动操作将层流单元小循环开启是将层流单元在终端光学系统腔体结构的外侧做预热启动，使层流单元在较低动力下进行低动力的小范围的洁净空气循环。
所述步骤S1中的层流单元进行小循环预启动是为了使层流单元在后续的正式开启时能迅速达到预定的启动速度；而风刀单元是高压气体，启动速度很快，气量小，无需预启动就可以达到效果。
步骤S2，在一次打靶完成后收到启动信号的第一时间T1内按照设定的第一启动时序将风刀单元和层流单元开启，并对终端光学系统腔体内的污染物进行清除；
所述第一启动时序是指在打靶完成后会向所述动态洁净维持系统提供一个清洁启动信号，在收到该启动信号的第一时间T1内将风刀单元和层流单元依次快速开启，风刀单元需先于层流单元启动。所述快速开启是指经过步骤S1的预启动后动态洁净维持系统在收到启动信号后在最短的时间内尽快提供终端光学系统腔体清洁所需要的合适的高压风刀气帘和动态洁净层流气体。所述第一时间T1要求不大于10s。
所述高压风刀气帘和动态洁净层流气体的强度根据实际场景需求在动态洁净维持系统进行初始化设置时进行设定的，在一个实施例中通过流体动力学模型确定风刀气帘(9)的风速为20m/s，风刀出口(1)为450mm×0.05mm的口径，采用DN12的风刀气体管道(6)将高压洁净气体(15)送至风刀出口(1)，高压气体(2)的压力约为0.2MPa；所述高压风刀气帘的风刀流速不低于20m/s可有效隔离微米级的粉尘和气溶胶污染物。
在一个实施例中层流单元的气流方向采用由上向下的方式。终端光学系统腔体的内径约为600mm，在该结构下，确定层流气体流速为0.3m/s。进一步根据层流风的流速要求，确定层流送风机组(16)、进风匀压箱(3)和回风匀压箱(11)的尺寸，其中层流送风管道(8)为300mm×150mm，管道内的压力约为2000Pa。所述动态洁净层流气体的流速控制在0.3m/s左右可保障气流场的稳定。
步骤S3，经过第二时间T2后收到关闭信号时，按照设定的第一关闭时序在第三时间T3内依次关闭层流单元和风道单元，完成对所述光学系统动态洁净的维持；
在经过第二时间T2后所述风刀单元和层流单元提供的高压风刀气帘和动态洁净层流气体已对终端光学系统腔体和腔体内光学元件的污染物清除，此时即可按照设定的第一关闭时序依次先后关闭层流单元和风刀单元，风刀单元需晚于动态层流关闭。在一个实施例中所述第二时间T2为5min，所述第三时间T3要求不大于10s。
综上所述，本发明提出了“风刀气帘防护与洁净层流防护相耦合”实现光学元件表面洁净管控的思想，采用风刀气帘阻断污染物在光学元件表面的沉降，采用动态洁净层流及时的将污染物排出组件内。可将打靶产生的粉尘和气溶胶污染物及时排出终端光学系统，长期维持光学元件表面的洁净。本发明为终端光学系统的结构设计和动态洁净维持设计提供了技术指导。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统，用于对终端光学系统腔体以及腔体内的光学元件进行洁净吹扫，其特征在于，所述动态洁净维持系统包括层流单元和风刀单元；所述层流单元用于提供动态洁净层流对尘埃污染物进行清除，所述风刀单元用于提供高压风刀气帘对污染物在光学元件上的沉降进行阻断和隔离；在气体对流通道上，无任何遮挡气流的结构件。
2.如权利要求1所述的一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统，其特征在于，所述层流单元包括外部的层流送风机组(16)、层流送风管道(8)、终端光学系统的进风匀压箱(3)、回流匀压箱(14)和回风管道(17)，所述层流送风机组(16)产生的新风即层流送风气体(7)经由层流送风管道(8)经过进风匀压箱(3)后，在终端光学系统的腔体内形成层流气流场(12)，将光学元件(10)产生的污染物带出并通过回流匀压箱(14)回至层流回风管道(17)送至外部层流送风机组(16)的过滤器中。
3.如权利要求1所述的一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统，其特征在于，所述风刀单元由高压洁净气源(15)、风刀气体管道(6)和风刀出口(1)组成，所述高压洁净气源(15)提供的高压洁净气体(2)经风刀气体管道(6)和狭缝状的风刀出口(1)后在光学元件(10)表面形成气帘(9)，并将光学元件(10)产生的污染物带出，该气帘(9)最终与层流气流场(12)一起通过回流匀压箱(14)回至层流单元的层流回风管道(17)中。
4.如权利要求2所述的一种用于高功率终端光学系统的动态洁净维持系统，其特征在于，层流送风机组(16)由风机和洁净过滤设备组成，进风匀压箱(3)的结构由箱体、端盖和高效过滤器组成，回流匀压箱(14)的结构由箱体、端盖和多孔板组成。
5.一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，所述方法是基于权利要求1-4中任一终端光学系统动态洁净维持系统实现的，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，动态洁净维持系统预启动，对终端光学系统和动态洁净维持系统进行初始化设置，并按照设定的预启动操作将层流单元小循环开启；
步骤S2，在收到启动信号的第一时间T1内按照设定的第一启动时序将风刀单元和层流单元开启，并对终端光学系统腔体内的污染物进行清除；
步骤S3，经过第二时间T2后按照设定的第一关闭时序在第三时间T3内依次关闭层流单元和风刀单元，完成对所述光学系统动态洁净。
6.如权利要求5所述的一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，其特征在于，所述步骤S1中的初始化设置为根据终端光学系统内光学元件的口径、使用角度、环境特性和需去除污染物的粒子大小，耦合终端系统的光学设计，确定光学元件间的间距，确保光学元件的间距大于主要污染物在腔体环境中的粒子自由程。
7.如权利要求5所述的一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，其特征在于，所述按照设定的预启动操作将层流单元小循环开启具体为将层流单元在终端光学系统腔体结构的外侧做预热启动，使层流单元在较低动力下进行低动力的小范围的洁净空气循环。
8.如权利要求5所述的一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，其特征在于，所述第一启动时序是在收到启动信号的第一时间T1内将风刀单元和层流单元依次快速开启，风刀单元先于层流单元启动；所述第一关闭时序是在收到关闭信号的第三时间T3内依次关闭层流单元和风刀单元，风刀单元晚于层流单元关闭。
9.如权利要求8所述的一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，其特征在于，所述第一时间T1要求不大于10s，所述第二时间T2为5min，所述第三时间T3要求不大于10s。
10.如权利要求9所述的一种用于高功率终端光学系统动态洁净维持的方法，其特征在于，通过流体动力学模型确定风刀气帘(9)的风速为20m/s，风刀出口(1)为450mm×0.05mm的口径，采用DN12的风刀气体管道(6)将高压洁净气体(15)送至风刀出口(1)，高压气体(2)的压力约为0.2MPa；终端光学系统腔体的内径约为600mm，由此确定层流气体流速为0.3m/s，进一步根据层流风的流速要求确定层流送风机组(16)、进风匀压箱(3)和回风匀压箱(11)的尺寸，其中层流送风管道(8)为300mm×150mm，管道内的压力为2000Pa。
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