CN110943357A - 一种组合式片状激光放大器窗口组件 - Google Patents

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强永发
林东晖
王振国
傅学军
蒋学君
刘建国
刘勇
王琳
郑奎兴
彭志涛
陈波
陈远斌
张锐
黄醒
董一方
田晓琳
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Abstract

本发明属于高功率固体激光器领域，具体涉及一种新型组合式片状激光放大器窗口组件。包括由内至外依次设置的窗口框密封件、窗口框、窗口玻璃下密封件、窗口玻璃、窗口玻璃压垫和压框，所述窗口框上端设置有对称设置的第一挂钩和第二挂钩，分别与设置在放大器洁净箱体上的第一定位块和第二定位块配合使用。窗口框与放大器洁净箱体贴合的安装面上设置有窗口框密封件；安装拆卸更加方便，定位精确度更高，平移侧挂即可在自重力作用下完成精确定位与密封，密封性能更好，有效防止气溶胶泄漏，装配效率更高。

Description

一种组合式片状激光放大器窗口组件
技术领域
本发明属于高功率固体激光器领域，具体涉及一种新型组合式片状激光放大器窗口组件。
背景技术
组合式片状激光放大器是惯性约束聚变(ICF)激光驱动器的核心部件，它主要解决装置纵向能流传递转换问题，其性能的好坏直接影响装置的输出能量和功率，对系统的总体性能有着重要影响。放大器中的核心器件掺钕磷酸盐玻璃以及与放大器相邻的空间滤波器的核心器件空间滤波器透镜工作在高激光通量下，对表面的洁净度提出了极高的要求。要求放大器内部以及放大器与空间滤波器之间的过渡管道内部(空间滤波器透镜工作环境)必须为不低于ISO Class5级的洁净度。放大器内部在激光主发射后，洁净箱体内部结构件表面受氙灯光辐照会产生大量气溶胶颗粒，此时放大器内部的洁净气体吹扫系统开始工作，采用上方进气吹扫下方排气的“上吹下排”方式将产生的气溶胶颗粒快速置换出放大器内部，而放大器与空间滤波器之间的过渡管道无气体吹扫，因此实现放大器两端的洁净密封隔离至关重要。否则放大器洁净箱体内部结构件表面受激光主发射氙灯光辐照产生的大量气溶胶颗粒可能溢出到放大器和空间滤波器透镜之间过渡管道，而由于该过渡管道无洁净气体吹扫，长期运行可能导致气溶胶大量沉积在过渡管道内，附着在空间滤波器透镜表面，污染空间滤波器透镜，在高通量激光作用下诱导透镜损伤，降低空间滤波器透镜激光性能和寿命。
现有片状放大器洁净箱体两端的洁净密封隔离采用的是4个4×1窗口组件实现物理隔离，存在以下问题：
1、由于4×2组合式片状放大器高度尺寸较大，造成4×1窗口组件高度尺寸过大，原窗口组件宽厚比过大近似于“薄板件”，厚度方向刚度不足，变形难于控制，变形后密封面的密封无法保证，无法实现完全的密封洁净隔离效果。存在气溶胶溢出放大器污染空间滤波器透镜降低空间滤波器透镜激光性能和寿命的风险。
2、现有4×1窗口组件采用“上挂下扶”的人工装校方式，安装定位流程繁琐，需要大量人工干预，效率低。为了达到所需密封效果，窗口组件四周采用了密排的螺钉预紧固定，给安装和维护带来了巨大的工作量。安装调试和拆卸维护过程需要投入大量人力物力，效率低，无法满足未来大型激光装置安装效率需求。
发明内容
本发明提供了一种新型组合式片状激光放大器窗口组件，解决了现有技术中的组合式片状激光放大器窗口组件安装定位流程繁琐，安装维护效率低，密封效果不足的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的具体技术方案是，一种组合式片状激光放大器窗口组件，包括由内至外依次设置的窗口框密封件、窗口框、窗口玻璃下密封件、窗口玻璃、窗口玻璃压垫和压框，所述窗口框上端设置有对称设置的第一挂钩和第二挂钩，窗口框与放大器洁净箱体贴合的面上设置有窗口框密封件；所述第一挂钩的上部悬挂部分的内侧、左右为导向斜角结构；所述第一挂钩能够与设置在放大器洁净箱体上的内侧、左右为导向斜角结构的第一定位块相卡合；所述第一定位块中间的卡槽内侧、左右都为导向斜角结构，与第一挂钩的上部悬挂部分精密配合；所述第二挂钩上部悬挂部分的内侧、左右为导向斜角结构；所述第二挂钩能够与设置在放大器洁净箱体上的带内侧导向斜角结构的第二定位块卡合；第二定位块的中间卡槽内侧为导向斜角，左右方向为沿重力竖直方向矩形卡槽，与第二挂钩的左右自由间隙配合；所述第一定位块和第二定位块与放大器洁净箱体贴合的安装面，与窗口框相对放大器洁净箱体贴合的安装面处于同一平面。
进一步的，第一挂钩、第二挂钩、第一定位块和第二定位块的导向斜角结构的斜面与水平方向形成的倾角大于挂钩和定位块组成的摩擦副的摩擦角。
进一步的，所述窗口框密封件为O形密封圈，窗口框与放大器洁净箱体贴合的安装面上设置有燕尾槽，O形密封圈卡在燕尾槽上。
进一步的，窗口玻璃安装面与窗口框安装面有微小夹角，进光窗口玻璃与出光窗口玻璃对称设置，用于避免激光垂直入射造成自激振荡。
进一步的，窗口框的外侧表面的两侧还设置有向上凸起的加强筋。
进一步的，加强筋上还设置有装校小车悬挂拆卸侧挂口。
本发明相比现有技术的有益效果是：安装拆卸更加简单，效率更高；更加有效的防止了窗口组件的变形而导致的密封效果差的问题；密封性更好，有效避免气溶胶溢出放大器，污染空间滤波器透镜降低空间滤波器透镜激光性能和寿命；通过两个对称设置的挂钩，并且将一个挂钩设计成与定位块在内侧、左右为导向斜角配合的结构，又通过将另一个挂钩设计成内侧、左右为导向斜角结构，而将与其对应的定位块设计成内侧为导向斜角结构，左右方向为沿重力竖直方向矩形自由间隙卡槽。由于挂钩和定位块的斜角结构,其斜面与水平方向形成的倾角大于挂钩和定位块组成的摩擦副的摩擦角。在重力作用下，窗口组件沿斜面引导下移同时前移和左右对正移动，前移过程中窗口框密封件与放大器洁净箱体侧面贴合受挤压变形量逐步增大，直至窗口框的安装面与放大器洁净箱体侧面完全贴合，最终对窗口组件形成六自由度完全约束。同时窗口框密封件完全压缩到密封槽内,压缩量达到最大，可有效保证密封。从而在进行安装时仅需通过装校小车对窗口组件进行平移，然后粗定位侧挂在放大器洁净箱体侧壁上，而窗口组件自动在重力作用和定位块引导下完成定位，定位精度高，效率高，同时实现六个自由度的约束定位，显著提高装调效率；加强筋的设置使窗口组件更加稳定不易变形影响密封，侧挂口的设计使装校小车悬挂拆卸窗口组件更加方便；通过燕尾槽与O形密封圈的设计，更加有效防止密封圈出现脱落。结合上方两处带引导斜角的挂钩和与之相配合的定位块，使重力沿斜角分量以及重力沿两个挂装支点的力矩形成密封预紧力，从而使O形密封圈产生有效的压缩变形，实现放大器箱体两端自密封，无需四周安装大量螺钉预紧，大幅提升安装维护效率。
附图说明
图1是本发明未组装时的结构图。
图2是本发明组装完成后的后视图。
图3是A部的局部放大图。
图4为挂钩和定位块结合时的剖面图。
图5是第一挂钩的结构图。
图6是第一定位块的后视图。
图7是第一定位块的俯视图。
图8是第二定位块的立体图。
图9是第二定位块的俯视图。
图10是窗口玻璃安装面与窗口框安装面夹角关系示意图。
附图标记说明：1、窗口框密封件；2、窗口框；3、窗口玻璃下密封件；4、窗口玻璃；5、窗口玻璃压垫；6、压框；7、第一挂钩；8、第二挂钩；9、第一定位块；10、第二定位块；11、加强筋；11.1、拆卸口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
请参阅图1-图10，一种组合式片状激光放大器窗口组件，包括由内至外依次设置的窗口框密封件1、窗口框2、窗口玻璃下密封件3、窗口玻璃4、窗口玻璃压垫5和压框6。
压框6采用不锈钢板，沿周布置数个螺钉将窗口玻璃4均匀压紧，窗口玻璃4上下设有聚四氟乙烯制成的窗口玻璃压垫5和硅橡胶制成的窗口玻璃下密封件3，可有效固定并均匀压紧窗口玻璃4，降低窗口玻璃4的变形。
窗口框2选用铝合金板材进行整体加工而成，具有重量轻、刚度好的特点，通过数控机加保证窗口玻璃安装面与窗口框安装面之间的夹角以及通光口径，满足组件通光要求。窗口框2整体机加后表面处理，采用本色阳极化处理工艺，在表面形成致密氧化膜，达到防氧化的作用。
如图10所示，为避免激光垂直入射造成自激振荡，窗口玻璃4安装面与窗口框2安装面的微小夹角优选为1°±0.2°，进光窗口玻璃4与出光窗口玻璃4对称设置。
所述窗口框2上端通过螺钉安装对称设置的第一挂钩7和第二挂钩8，窗口框2与放大器洁净箱体贴合的安装面上设置有通过燕尾槽安装固定的窗口框密封件1；所述第一挂钩7的上部悬挂部分的内侧、左右为导向斜角结构，进一步的，所述的挂钩和定位块的斜角结构,其斜面与水平方向形成的倾角大于挂钩和定位块组成的摩擦副的摩擦角。其中具体的挂钩左右斜面分别与水平方向形成的倾角为80°，挂钩内侧斜面与水平方向形成的倾角为60°；所述第一挂钩7能够与设置在放大器洁净箱体上的内侧、左右为导向斜角结构的第一定位块9相卡合；所述第一定位块9中间的卡槽内侧、左右为导向斜角结构，与第一挂钩7的上部悬挂部分精密配合,其卡槽左右斜面分别与水平方向形成的倾角也为80°，其内侧斜面与水平方向形成的倾角也为60°在悬挂过程中第一挂钩7的端头在卡入第一定位块9的卡槽的过程中卡槽左右形成的斜角用于引导定位第一挂钩7的左右位置，而卡槽内侧导向斜角结构，与第一挂钩7端头内侧导向斜角结构实现精密配合引导。所述第二挂钩8上部悬挂部分的内侧、左右为导向斜角结构，其各倾斜角度与第一挂钩相同；所述第二挂钩8能够与设置在放大器洁净箱体上的带内侧导向斜角结构的第二定位块10卡合；第二定位块10的中间卡槽内侧为导向斜角，与第一定位块9相同，但左右方向为沿重力竖直方向矩形卡槽，与第二挂钩8的左右自由间隙配合。在悬挂过程中第一挂钩7与第一定位块9结合第二挂钩8与第二定位块10的共同实现窗口组件放置的俯仰角度、左右偏摆角度和绕法线旋转的角度约束。由于挂钩和定位块的斜角结构,其斜面与水平方向形成的倾角大于挂钩和定位块组成的摩擦副的摩擦角。在重力作用下，窗口组件沿斜面引导下移同时前移和左右对正移动，前移过程中窗口框密封件1与放大器洁净箱体侧面贴合受挤压变形量逐步增大，直至窗口框2的安装面与放大器洁净箱体侧面完全贴合，最终对窗口组件形成六自由度完全约束定位。同时窗口框密封件完全压缩到密封槽内,压缩量达到最大，可有效保证密封。所述第一定位块9和第二定位块10与放大器洁净箱体贴合的安装面，与窗口框2相对放大器洁净箱体贴合的安装面处于同一平面。如图5所示，窗口组件实现最终定位时,挂钩与定位块的竖直面和顶面是未贴合的，为自由间隙，从而有效避免过定位。
为了能够使窗口组件与洁净箱体具有更好的密封性，并且更加有效防止密封圈在安装使用过程中出现脱落，进一步的，所述窗口框密封件1为O形密封圈，窗口框2与放大器洁净箱体贴合的安装面上设置有燕尾槽，O形密封圈卡在燕尾槽内。
进一步的，结合上方两处带引导斜角的挂钩和与之相配合的定位块，使重力沿斜角分量以及重力沿两个挂装支点的力矩形成密封预紧力，从而使O形密封圈产生有效的压缩变形，实现放大器箱体两端自密封，无需四周安装大量螺钉预紧，大幅提升安装维护效率。
为了增加窗口组件刚度，减小变形，保证密封可靠性,窗口框2的外侧表面的两侧还设置有向上凸起的加强筋11。
为了使装校小车悬挂拆卸窗口组件更加方便，并且在拆卸安装过程中对窗口组件造成的影响更小，进一步的，加强筋2上还设置有侧挂口11.1，侧挂口11.1为向内向上凹陷的弧形挂钩结构。
本发明的工作原理与工作过程：首先完成窗口组件的组合，将O形密封圈压入燕尾槽内实现O形密封圈的固定。然后在窗口框2依次放置窗口玻璃下密封件3、窗口玻璃4、窗口玻璃压垫5和压框6，然后通过螺钉将压框6与窗口框2紧固，从而实现窗口玻璃4的固定与密封，实现窗口玻璃4表面法向与激光入射方向夹角为1°±0.2°；然后通过螺钉将第一挂钩7和第二挂钩8相对第一定位块9和第二定位块10对应固定连接；接下来在放大器洁净箱体的侧壁上固定第一定位块9和第二定位块10，然后用装校小车通过悬挂拆卸侧挂口11.1，托起窗口组件，进行平移，再将窗口组件上的第一挂钩7对准第一定位块9的卡槽位置，而将第二挂钩8的挂钩端头对准第二定位块10的卡槽，然后进行侧挂，使第一挂钩7卡入第一定位块9的卡槽内，同时第二挂钩8的挂钩端头卡入第二定位块10的卡槽，共同实现窗口组件放置的俯仰角度、左右偏摆角度和绕法线旋转的角度约束。由于挂钩和定位块的斜角结构,其斜面与水平方向形成的倾角大于挂钩和定位块组成的摩擦副的摩擦角，在重力作用下，窗口组件沿斜面引导下移同时前移和左右对正移动，前移过程中窗口框密封件1与放大器洁净箱体侧面贴合受挤压变形量逐步增大，直至窗口框2的安装面与放大器洁净箱体侧面完全贴合，最终对窗口组件形成六自由度完全约束定位。同时窗口框密封件1完全压缩到密封槽内,压缩量达到最大，可有效保证密封。通过窗口组件上方设置的第一挂钩7、第二挂钩8以及其与第一定位块9、第二定位块10的配合，使窗口组件重力沿斜角分量及重力沿两个挂装支点的力矩形成密封预紧力，从而将窗口组件压紧在放大器洁净箱体的侧壁上，最终实现放大器箱体两端自密封，无需四周安装大量螺钉预紧，大幅提升安装维护效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种组合式片状激光放大器窗口组件，其特征在于：包括由内至外依次设置的窗口框密封件、窗口框、窗口玻璃下密封件、窗口玻璃、窗口玻璃压垫和压框，所述窗口框上端设置有对称设置的第一挂钩和第二挂钩，窗口框与放大器洁净箱体贴合的面上设置有窗口框密封件；所述第一挂钩的上部悬挂部分的内侧、左右为导向斜角结构；所述第一挂钩能够与设置在放大器洁净箱体上的内侧、左右为导向斜角结构的第一定位块相卡合；所述第一定位块中间的卡槽内侧、左右都为导向斜角结构，与第一挂钩的上部悬挂部分精密配合；所述第二挂钩上部悬挂部分的内侧、左右为导向斜角结构；所述第二挂钩能够与设置在放大器洁净箱体上的带内侧导向斜角结构的第二定位块卡合；第二定位块的中间卡槽内侧为导向斜角，左右方向为沿重力竖直方向矩形卡槽，与第二挂钩的左右自由间隙配合；所述第一定位块和第二定位块与放大器洁净箱体贴合的安装面，与窗口框相对放大器洁净箱体贴合的安装面处于同一平面。
2.根据权利要求1所述的组合式片状激光放大器窗口组件，其特征在于：第一挂钩、第二挂钩、第一定位块和第二定位块的导向斜角结构的斜面与水平方向形成的倾角大于挂钩和定位块组成的摩擦副的摩擦角。
3.根据权利要求1所述的组合式片状激光放大器窗口组件，其特征在于：所述窗口框密封件为O形密封圈，窗口框与放大器洁净箱体贴合的安装面上设置有燕尾槽，O形密封圈卡在燕尾槽内。
4.根据权利要求1所述的组合式片状激光放大器窗口组件，其特征在于：窗口玻璃安装面与窗口框安装面有微小夹角，进光窗口玻璃与出光窗口玻璃对称设置。
5.根据权利要求4所述的组合式片状激光放大器窗口组件，其特征在于：窗口框的外侧表面的两侧还设置有向上凸起的加强筋。
6.根据权利要求5所述的组合式片状激光放大器窗口组件，其特征在于：加强筋上还设置有装校小车悬挂拆卸侧挂口。
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