CN207586507U - 一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置 - Google Patents

Abstract

一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置，该装置包括激光倍频晶体、外支撑框、侧向限位螺钉、边缘可自锁夹持器、预紧螺钉和垫块等组成；其中边缘可自锁夹持器在安装到位后可形成自锁结构，由夹持器基座、促动转架、连接限位块、转动支架、转轴、固定螺钉组成；在高洁净光学装配环境中进行超精密大口径激光倍频晶体的装校操作时，使用一把内六角扳手可以快速、无接触地完成对晶体X\Y\Z三个方向的定位夹紧，并能够实现对夹持力的进一步精密调校；本实用新型可满足大口径高功率激光倍频晶体精密、洁净、高效装配的工程需求。

Description

一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置

技术领域

本实用新型属于光学元件精密装配领域，涉及惯性约束聚变装置中高功率激光驱动器中的大口径光学元件的精密装配，特别涉及一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置。

背景技术

惯性约束聚变装置是一种采用高功率固体激光驱动器来为氘-氚(DT)靶丸注入能量以激发可控核聚变反应的装置。作为世界上第二大的惯性约束聚变装置，我国的神光三装置用48束高功率激光将60TW(180kJ)的能量在3ns的时间内精准汇集到直径2cm的靶丸上，激光在摄入靶球之前会被终端光学组件中的倍频晶体进行倍频处理，原因是高频激光更有利于提高靶丸处的能量吸收效率。倍频晶体是一种大口径薄板形的磷酸二氢钾(KDP)晶体，其作用就是将波长为1053nm的红外光波转换为波长为351nm的紫外光波，倍频晶体的谐波转换效率主要取决于晶体的面形误差、应力分布和温度等因素。

作为一种对应力敏感的薄板形透光元件，KDP晶体的夹持就一直是聚变光学工程中的难题。当前采用的夹持工装具有零部件多、装配效率低、结构稳定性差、易接触污染元件表面、夹持力可控性差且不易调节等缺陷，也直接导致了晶体面形畸变严重，内部应力分布不均、损伤阈值下降等严重问题，继而使得谐波转换效率较低，影响最终的打靶效果；此外，由于下一代聚变装置将会设置成倍增加的激光束，其中晶体的使用数量也会成倍增加，当前的夹持工装也很难满足晶体高效装配需求。因此，现在亟需一种从装配工艺原理层面出发设计的，有利于提高晶体谐波转换效率和晶体组件装配效率的夹持工艺方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置和方法，以满足下一代巨型激光聚变装置对于大口径倍频晶体快速、洁净、精密装校的技术需求。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置，包括：

外支撑框，为回字形框体，内侧底面设有支撑凸台，用于实现对激光倍频晶体背面的定位和支撑；相邻两侧边各开有两个螺纹通孔，用于安装侧向限位螺钉；顶面四条边各开有八个螺纹盲孔，四个为一组用于安装一个边缘可自锁夹持器；

侧向限位螺钉，安装在所述外支撑框相邻两侧边上的螺纹通孔，分别用于实现对所述激光倍频晶体X方向和Y方向的安装限位；

边缘可自锁夹持器，由夹持器基座、促动转架、连接限位块、转动支架、转轴和固定螺钉组成，其中

所述夹持器基座，由所述固定螺钉固定在所述外支撑框各边缘，用于安装并支撑所述边缘可自锁夹持器其余部件；

所述促动转架，为U字形结构，底部通过两通孔与夹持器基座用所述转轴相连接，中部通过所述转轴与连接限位块相连接，顶部设有六边形盲孔，用于与装调工具配合；

所述连接限位块，底部通过两通孔与所述转动支架用所述转轴相连接，顶部通过两通孔与所述促动转架用转轴相连接，中部设置有限位梁，用于在安装到位后，限制所述转动支架的反向转动，实现自锁；

所述转动支架，尾部通过通孔与夹持器基座用转轴相连接，中部通过通孔与连接限位块用转轴相连接，头部留有螺纹孔，用于安装预紧螺钉；

预紧螺钉，安装在所述转动支架头部的螺纹孔中，用于实现对预紧力的调控；

垫块，中部设有盲孔与预紧螺钉底部配合，用于实现增加预紧力施加面积，吸收环境振动。

本实用新型还提供了所述大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置的装校方法，可实现更高效、更便捷的装校工艺流程；在满足5级洁净要求(根据ISO14644-1标准)的光学精密装配环境中，具体执行如下步骤：

步骤1：激光倍频晶体元件被安装在机械手末端的大口径真空吸盘吸取并精准地装入外支撑框内的支撑凸台上；

步骤2：用内六角扳手将侧向限位螺钉依次缓缓拧入外支撑框侧面的螺纹通孔中，实现激光倍频晶体元件在X和Y方向的定位；

步骤3：将内六角扳手头部平插入促动转架顶部的六边形盲孔中，向上抬起促动转架，促动转架将带动边缘可自锁夹持器整体运动；

步骤4：垫块中部盲孔对准预紧螺钉底部，继续通过内六角扳手驱动促动转架，直至转架呈竖直态无法继续移动，拔出内六角扳手；

步骤5：将内六角扳手头部插入预紧螺钉顶部六边形盲孔中，转动扳手，调整正向预紧力大小；

步骤6：重复步骤3-5，完成所有边缘可自锁夹持器的安装；

步骤7：将装配好的激光倍频晶体组件竖直放置在大口径卧式干涉仪前，测量晶体面形是否满足要求，若不满足，则可继续使用内六角扳手调整各预紧螺钉改变晶体面形，直至达到工程要求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：具有边缘可自锁夹持器的激光倍频晶体夹持装置可以使用一把标准内六角扳手实现从装配到校准全程无接触的快速操作，一方面，可以有效简化大口径激光透射元件的夹持装置和工艺，能够大幅度提高新一代巨型激光装置的装校效率；另一方面，本实用新型的装校工艺流程可以有效避免现场操作人员在元件装配过程中直接接触精密光学表面，从而最大程度上保证了元件的洁净度并提高了损伤阈值。

附图说明

图1为本实用新型大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置整体装配图。

图2为本实用新型中边缘可自锁夹持器装配图。

图3为本实用新型中激光倍频晶体装入外支撑框过程示意图。

图4为本实用新型中侧向限位螺钉安装过程示意图。

图5为本实用新型中边缘可自锁夹持器安装过程示意图。

图6为本实用新型中预紧螺钉调校过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

如图1和2所示，本实用新型是一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置，主要由激光倍频晶体1、外支撑框2、侧向限位螺钉3、边缘可自锁夹持器4、预紧螺钉5和垫块6组成。

外支撑框2，为回字形框体，内侧底面设有四条经过精密抛光的支撑凸台(平面度±0.005mm)，用于实现对激光倍频晶体1背面(Z方向)的精确定位和精密支撑；相邻两侧边各开有两个M4精制细牙螺纹通孔，用于安装侧向限位螺钉3；顶面四条边各开有八个M4精制细牙螺纹盲孔，用于安装边缘可自锁夹持器4。侧向限位螺钉3为M4×25的精制细牙内六角头螺钉，安装在所述外支撑框2两条侧边上的螺纹通孔，分别用于实现对所述激光倍频晶体1X方向和Y方向的安装限位。

边缘可自锁夹持器4，由夹持器基座7、促动转架8、连接限位块9、转动支架10、转轴11和固定螺钉12组成，其中：夹持器基座7，由固定螺钉12(M4×16)固定在外支撑框2顶面各边缘上的螺纹盲孔中，用于安装并支撑边缘可自锁夹持器4其余部件；促动转架8，为U字形结构，底部通过两通孔与夹持器基座7用转轴11相连接，中部通过所述转轴11与连接限位块9相连接，顶部设有六边形盲孔，用于与装调工具——内六角扳手配合；连接限位块9，底部通过两通孔与转动支架10用转轴11相连接，顶部通过两通孔与促动转架8用转轴11相连接，中部设置有限位梁，在促动转架8转动到竖直态(倒U态)后，连接限位块9也呈竖直态，限位梁可以限制呈水平态的转动支架10的反向转动，形成自锁结构；转动支架10，尾部通过通孔与夹持器基座7用转轴11相连接，中部通过通孔与连接限位块9用转轴11相连接，头部留有M4精制细牙螺纹孔，用于安装预紧螺钉5；

预紧螺钉5为M4×25的精制细牙内六角头螺钉，安装在上述转动支架10头部的M4螺纹孔中，待边缘可自锁夹持器4转动到位后，呈竖直态，用于实现对预紧力的进一步调控。垫块6，由洁净性较好的聚四氟乙烯(PTFE)材料制作，中部开有盲孔与预紧螺钉5底部配合，可有效增加预紧力作用面积，增大夹持器与晶体元件间的摩擦力，提高结构整体稳定性，还能够有效吸收环境振动。

本实施案例中，激光倍频晶体1元件为神光三装置终端光学组件中的二倍频晶体，材料为国产磷酸二氢钾(KDP)，尺寸为410mm×410mm×12mm，相位匹配方向41.19°，实测刚度矩阵为

外支撑框2由不锈钢材料制成，主要公差尺寸±0.05mm；边缘可自锁夹持器4组件由6061铝合金材料制作，主要公差尺寸为±0.1mm。

在神光三装置中满足5级洁净要求(根据ISO14644-1标准)的光学装配大厅(OAB)中，具体执行如下步骤：

步骤1：如图3所示，激光倍频晶体1元件被安装在机械手末端的大口径真空吸盘吸取并精准地向下装入外支撑框2内的支撑凸台上。

步骤2：如图4所示，用内六角扳手将侧向限位螺钉3依次缓缓拧入外支撑框2侧面的精制螺纹通孔中，实现激光倍频晶体1元件在X和Y方向的定位。

步骤3：如图5所示，将内六角扳手头部平插入促动转架8顶部的六边形盲孔中，向上抬起促动转架8，促动转架8将带动边缘可自锁夹持器4整体运动。

步骤4：在夹持器即将转动到位前，垫块6中部盲孔对准预紧螺钉5底部放置在激光倍频晶体1正面边缘，之后继续通过内六角扳手驱动促动转架8，直至促动转架8呈竖直态无法继续移动，随后拔出内六角扳手。

步骤5：如图6所示，将内六角扳手头部插入预紧螺钉5顶部六边形盲孔中，转动扳手，适当调整正向预紧力大小。

步骤6：重复步骤3-5，依次完成所有边缘可自锁夹持器的安装。

步骤7：将装配好的激光倍频晶体1组件竖直放置在大口径卧式干涉仪前，测量晶体面形是否满足要求，若不满足，则可继续使用内六角扳手调整各预紧螺钉5改变晶体面形，直至达到工程要求。

Claims (3)

1.一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置，其特征在于：包括激光倍频晶体(1)、外支撑框(2)、侧向限位螺钉(3)、边缘可自锁夹持器(4)、预紧螺钉(5)和垫块(6)组成；所述外支撑框(2)，为回字形框体，内侧底面设有支撑凸台，用于实现对所述激光倍频晶体(1)背面的定位和支撑，相邻两侧边各开有两个螺纹通孔，用于安装侧向限位螺钉(3)；顶面四条边各开有八个螺纹盲孔，四个为一组用于安装一个边缘可自锁夹持器(4)；所述侧向限位螺钉(3)，安装在所述外支撑框(2)相邻两侧边上的螺纹通孔，分别用于实现对所述激光倍频晶体(1)X方向和Y方向的安装限位；所述边缘可自锁夹持器(4)，由夹持器基座(7)、促动转架(8)、连接限位块(9)、转动支架(10)、转轴(11)和固定螺钉(12)组成，其中，所述夹持器基座(7)，由所述固定螺钉(12)固定在所述外支撑框(2)各边缘，用于安装并支撑所述边缘可自锁夹持器(4)其余部件；所述促动转架(8)，为U字形结构，底部通过两通孔与夹持器基座(7)用所述转轴(11)相连接，中部通过所述转轴(11)与连接限位块(9)相连接，顶部设有六边形盲孔，用于与装调工具配合；所述连接限位块(9)，底部通过两通孔与所述转动支架(10)用所述转轴(11)相连接，顶部通过两通孔与所述促动转架(8)用转轴(11)相连接，中部设置有限位梁，用于在安装到位后，限制所述转动支架(10)的反向转动，实现自锁；所述转动支架(10)，尾部通过通孔与夹持器基座(7)用转轴(11)相连接，中部通过通孔与连接限位块(9)用转轴(11)相连接，头部留有螺纹孔，用于安装预紧螺钉(5)；所述预紧螺钉(5)，安装在所述转动支架(10)头部的螺纹孔中，用于实现对预紧力的调控；所述垫块(6)，中部设有盲孔与预紧螺钉(5)底部配合，用于实现增加预紧力施加面积，吸收环境振动。

2.根据权利要求1所述的一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置，其特征在于：所述垫块(6)采用聚四氟乙烯材料。

3.根据权利要求1所述的一种大口径高功率激光倍频晶体边缘自锁夹持装置，其特征在于：所述激光倍频晶体(1)的材料为磷酸二氢钾，长×宽×高的尺寸为410mm×410mm×12mm，相位匹配方向41.19°。