本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及激光慣性約束聚變裝置中高功率固體激光驅(qū)動(dòng)器中的大口徑光學(xué)元件的精密裝配和校準(zhǔn)，特別涉及一種激光倍頻晶體的精密夾持裝置與主動(dòng)光學(xué)控制方法。

背景技術(shù)：

在2.0mj能級的巨型慣性約束聚變裝置(簡稱icf)中，高功率激光束會(huì)經(jīng)過預(yù)防大、濾波、主放大、濾波、倍頻以及調(diào)整聚焦等過程，最終實(shí)現(xiàn)對靶點(diǎn)的高能激光注入以引起氘-氚(dt)聚變反應(yīng)。其中，倍頻組件位于激光光路最末端的終端光學(xué)組件之中，具有極其關(guān)鍵的作用：承擔(dān)著將波長為1053nm的基頻光轉(zhuǎn)換成波長為351nm的三倍頻光的任務(wù)，最終目的是提高靶點(diǎn)等離子體對激光的吸收利用效率。激光倍頻組件采用了人工生長單晶體——例如，磷酸二氫鉀(kdp)晶體——作為倍頻轉(zhuǎn)換的中間介質(zhì)。這是一種典型的非線性光學(xué)材料，具有良好的激光透過性，非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生二次倍頻諧波，同時(shí)它還具有較大的二階非線性電極化系數(shù)，因此在高能激光的倍頻轉(zhuǎn)換過程中具有較高的理論諧波轉(zhuǎn)化效率。為了保證良好的光束質(zhì)量，即較高的諧波轉(zhuǎn)化效率，大徑厚比kdp晶體在生長、加工和裝配過程中都面臨著極其嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)要求，此類晶體的精密夾持和面形控制方法也一度成為世界性的難題。

由于當(dāng)前慣性約束聚變裝置中采用的kdp晶體夾持裝置和裝校方法存在有原理性缺陷，直接導(dǎo)致kdp晶體面形精度誤差大，內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，這又間接導(dǎo)致了激光倍頻轉(zhuǎn)換效率的大幅度降低，嚴(yán)重影響了靶點(diǎn)的能量吸收效率；此外，當(dāng)前復(fù)雜繁瑣的裝配工藝流程也已經(jīng)難以滿足我國下一代激光慣性約束聚變裝置的建設(shè)進(jìn)度需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述傳統(tǒng)純機(jī)械式kdp晶體夾持裝置和裝校方法等現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種激光倍頻晶體的精密夾持裝置與主動(dòng)光學(xué)控制方法，可進(jìn)一步提高激光倍頻轉(zhuǎn)換效率和倍頻組件的安裝效率，尤其適用于大徑厚比kdp激光倍頻晶體。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種激光倍頻晶體的精密夾持裝置，包括：

框架組件2，為矩形框體，用于實(shí)現(xiàn)夾持裝置整體在終端光學(xué)組件中的安裝和定位，激光倍頻晶體元件1位于矩形框體內(nèi)；

晶體壓板3，為條狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置在框架組件2的框體上方，實(shí)現(xiàn)激光倍頻晶體元件1的初始預(yù)緊；

促動(dòng)器支架4，設(shè)置在框架組件2的框體上方，作為進(jìn)行晶體面形主動(dòng)光學(xué)控制的基礎(chǔ)，促動(dòng)器支架4的頂部位置的側(cè)面開有矩形槽；

壓電納米促動(dòng)器5，其尾部卡入所述矩形槽中，并通過預(yù)緊螺釘進(jìn)行徑向固定和軸向限位，所述壓電納米促動(dòng)器5能夠沿自身軸向輸出直線運(yùn)動(dòng)，其頭部輸出端安裝有與激光倍頻晶體元件1的正面直接接觸的球形壓頭6；

壓電陶瓷控制器8，與所述壓電納米促動(dòng)器5以及上位計(jì)算機(jī)連接，根據(jù)上位計(jì)算機(jī)的指令輸出不同大小的電壓驅(qū)動(dòng)所述壓電納米促動(dòng)器5產(chǎn)生相應(yīng)大小的位移載荷施加到激光倍頻晶體元件1的表面。

所述框架組件2在其四個(gè)側(cè)面上共開有8個(gè)螺紋孔，用來實(shí)現(xiàn)夾持裝置整體在終端光學(xué)組件中的安裝和定位。

所述框架組件2的正面上部，共開有40個(gè)螺紋孔，其中24個(gè)用于安裝晶體壓板3以實(shí)現(xiàn)激光倍頻晶體元件1的初始預(yù)緊，另外16個(gè)用于安裝促動(dòng)器支架4作為進(jìn)行晶體面形主動(dòng)光學(xué)控制的基礎(chǔ)。

在每個(gè)晶體壓板3上開有2個(gè)光孔，預(yù)緊螺釘穿過這兩個(gè)光孔，擰入框架組件2上的螺紋孔，使得晶體壓板3可以實(shí)現(xiàn)對激光倍頻晶體元件1的正面初始預(yù)緊。

所述促動(dòng)器支架4底座上開有2個(gè)光孔，預(yù)緊螺釘穿過這兩個(gè)光孔，擰入框架組件2上的螺紋孔，將促動(dòng)器支架4固定在框架組件2上。

所述促動(dòng)器支架4頭部矩形槽的側(cè)壁和頂部各開有一個(gè)螺紋孔，預(yù)緊螺釘擰入側(cè)壁螺紋孔實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的徑向固定，預(yù)緊螺釘擰入頂部螺紋孔實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的軸向限位。

所述框架組件2的正面底部有12個(gè)凸臺(tái)，用來實(shí)現(xiàn)激光倍頻晶體元件1的底面定位。

所述晶體壓板3與激光倍頻晶體元件1的接觸區(qū)域跟框架組件2正面底部的凸臺(tái)錯(cuò)位形成杠桿，使得初始預(yù)緊力對晶體面形起到初步補(bǔ)償作用，所述球形壓頭6與激光倍頻晶體元件1的接觸點(diǎn)同樣跟框架組件2正面底部的凸臺(tái)錯(cuò)位形成杠桿，實(shí)現(xiàn)對激光倍頻晶體元件1面形的主動(dòng)補(bǔ)償和調(diào)控。

本發(fā)明還提供了所述激光倍頻晶體主動(dòng)光學(xué)夾持裝置的裝校方法，將仿真建模計(jì)算、初始裝配預(yù)緊和主動(dòng)光學(xué)調(diào)校串聯(lián)起來，形成更合理、更精準(zhǔn)、更便捷、更高效的閉環(huán)裝校工藝流程。在滿足iso14644-1規(guī)定的5級空氣潔凈要求的光學(xué)精密裝配環(huán)境中，具體執(zhí)行如下步驟：

步驟1：利用彈性力學(xué)基本理論建立所述激光倍頻晶體元件的受力變形模型，并求解出保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的初始預(yù)緊力/位移參數(shù)(晶體壓板3施加預(yù)緊力，壓電納米促動(dòng)器5施加微小位移)。

步驟2：將框架組件2固定，用真空吸盤陣列吸緊kdp激光倍頻晶體正面邊緣區(qū)域，將其精確裝入框架組件2中并放置在所述框架組件2正面底部的凸臺(tái)上。

步驟3：用預(yù)緊螺釘7將12塊晶體壓板3分別安裝在所述框架組件正面上部的相應(yīng)螺紋孔中，對晶體進(jìn)行初步預(yù)緊，同時(shí)對晶體面形形成初步補(bǔ)償。

步驟4：用預(yù)緊螺釘7將8個(gè)促動(dòng)器支架4安裝在所述框架組件正面上部的相應(yīng)螺紋孔中。

步驟5：將8個(gè)壓電納米促動(dòng)器5分別沿促動(dòng)器支架4頭部矩形槽裝入8個(gè)促動(dòng)器支架4中，用預(yù)緊螺釘7擰入所述矩形槽側(cè)壁螺紋孔以實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的徑向固定，后用預(yù)緊螺釘7擰入所述矩形槽頂部螺紋孔實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的軸向限位。

步驟6：將8個(gè)壓電納米促動(dòng)器5與壓電陶瓷控制器8連接，根據(jù)步驟1中計(jì)算得到的最優(yōu)初始預(yù)緊位移值給每個(gè)壓電納米促動(dòng)器5相應(yīng)信號使其產(chǎn)生相應(yīng)的初始預(yù)緊位移。

步驟7：將初步安裝好的倍頻組件轉(zhuǎn)移至大口徑激光干涉儀下，采用水平放置方式對晶體面形進(jìn)行精密測量，獲得在初始預(yù)緊狀態(tài)下的晶體面形數(shù)據(jù)，并判斷是否滿足工藝要求，如果已經(jīng)滿足工藝要求，則完成對kdp激光倍頻晶體1的裝校工作。

步驟8：如果在初始預(yù)緊狀態(tài)下測量得到的晶體面形超出允許誤差范圍，上位計(jì)算機(jī)以當(dāng)前面形為基準(zhǔn)重新計(jì)算每個(gè)壓電納米促動(dòng)器5的位移調(diào)整量，再由壓電陶瓷控制器8控制壓電納米促動(dòng)器5產(chǎn)生相應(yīng)大小的位移。

步驟9：自動(dòng)迭代執(zhí)行步驟7和步驟8，直至晶體面形滿足夾持工藝要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

切實(shí)針對我國激光慣性約束聚變裝置對激光倍頻效率提出的更高要求，從改善kdp激光倍頻晶體1面形精度的角度提出了一種基于主動(dòng)光學(xué)控制原理的大徑厚比kdp激光倍頻晶體1夾持裝置，在此基礎(chǔ)上，提出了一套將仿真建模計(jì)算、初始裝配預(yù)緊和主動(dòng)光學(xué)調(diào)校相結(jié)合的、自動(dòng)化程度更高的光學(xué)精密裝配工藝方法。本發(fā)明能夠有效解決當(dāng)前kdp激光倍頻晶體1純機(jī)械式夾持結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的過度面形畸變、應(yīng)力分布不均等難題，通過設(shè)計(jì)主動(dòng)光學(xué)調(diào)控模塊(壓電納米促動(dòng)器5)，實(shí)現(xiàn)了：

一、能夠精準(zhǔn)調(diào)控施加在晶體表面的預(yù)緊位移(納米級)，并有效改善晶體面形質(zhì)量，保證更高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。

二、能夠根據(jù)當(dāng)前面形狀態(tài)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的晶體面形主動(dòng)調(diào)控，將仿真建模計(jì)算、初始裝配預(yù)緊和主動(dòng)光學(xué)調(diào)校相結(jié)合的閉環(huán)自動(dòng)光學(xué)裝配工藝大幅提高了大口徑光學(xué)元件的面形調(diào)整效率和質(zhì)量。

三、有效簡化了晶體夾持裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少了裝置零件數(shù)量，大幅度縮短了裝校時(shí)間，能夠滿足我國下一代激光慣性約束聚變裝置的建設(shè)進(jìn)度要求。

附圖說明

圖1是發(fā)明所涉kdp晶體主動(dòng)光學(xué)夾持裝置的裝配結(jié)構(gòu)圖。

圖2是發(fā)明所涉主動(dòng)光學(xué)調(diào)控模塊細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖3是發(fā)明所涉全閉環(huán)大徑厚比晶體裝校工藝流程圖

圖4是實(shí)施案例中所涉kdp晶體原始面形圖。

圖5是實(shí)施案例中所涉kdp晶體經(jīng)所述裝校方法調(diào)整后的面形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖1所示，一種大徑厚比kdp激光倍頻晶體主動(dòng)光學(xué)夾持裝置，包括框架組件2、晶體壓板3、促動(dòng)器支架4、壓電納米促動(dòng)器5、球形壓頭6、預(yù)緊螺釘7、壓電陶瓷控制器8等?？蚣芙M件2為矩形框體，在四個(gè)側(cè)面上共開有8個(gè)螺紋孔，用來實(shí)現(xiàn)夾持裝置整體在終端光學(xué)組件中的安裝和定位。在框架組件2的正面底部有12個(gè)凸臺(tái)，用來實(shí)現(xiàn)激光倍頻晶體元件1的底面定位。在框架組件2的正面上部，開有40個(gè)螺紋孔，其中24個(gè)用于安裝條狀結(jié)構(gòu)的晶體壓板3以實(shí)現(xiàn)激光倍頻晶體元件1的初始預(yù)緊，另外16個(gè)用于安裝促動(dòng)器支架4作為進(jìn)行晶體面形主動(dòng)光學(xué)控制的基礎(chǔ)。在每個(gè)晶體壓板3上開有2個(gè)光孔，預(yù)緊螺釘7穿過這兩個(gè)光孔，擰入框架組件2上的螺紋孔，使得晶體壓板3可以實(shí)現(xiàn)對激光倍頻晶體元件1的正面初始預(yù)緊。如圖2，晶體壓板3與激光倍頻晶體元件1的接觸區(qū)域跟框架組件2正面底部的凸臺(tái)錯(cuò)位形成杠桿，使得初始預(yù)緊力對晶體面形起到初步補(bǔ)償作用。在促動(dòng)器支架4底座上開有2個(gè)光孔，預(yù)緊螺釘7穿過這兩個(gè)光孔，擰入框架組件2上的螺紋孔，可以將促動(dòng)器支架4固定在框架組件2上。在促動(dòng)器支架4頭部開有矩形槽，矩形槽側(cè)壁和頂部各開有一個(gè)螺紋孔，壓電納米促動(dòng)器5尾部可以卡入矩形槽中，將預(yù)緊螺釘7擰入側(cè)壁螺紋孔可實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的徑向固定，將預(yù)緊螺釘7擰入頂部螺紋孔可實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的軸向限位。壓電納米促動(dòng)器5可沿自身軸向輸出直線運(yùn)動(dòng)，在壓電納米促動(dòng)器5頭部輸出端安裝有球形壓頭6與激光倍頻晶體元件1的正面直接接觸，接觸點(diǎn)同樣跟框架組件2正面底部的凸臺(tái)錯(cuò)位形成杠桿(如圖2)，實(shí)現(xiàn)對激光倍頻晶體元件1面形的主動(dòng)補(bǔ)償和調(diào)控。壓電陶瓷控制器8可根據(jù)上位計(jì)算機(jī)的指令輸出不同大小的電壓驅(qū)動(dòng)壓電納米促動(dòng)器5產(chǎn)生相應(yīng)大小的位移載荷施加到晶體表面。

本實(shí)施例中，激光倍頻晶體元件1的主要尺寸為430mm×430mm×12mm，徑厚比為36:1，材料為磷酸二氫鉀(簡稱kdp)晶體，平均彈性模量約為2e5mpa，是一種質(zhì)地軟、極易發(fā)生變形的光學(xué)元件。框架組件2為剛度較大的不銹鋼材料，主要尺寸公差優(yōu)于±0.05mm，與晶體直接接觸的正面底部凸臺(tái)平面度公差優(yōu)于±0.005mm。晶體壓板3為鋁合金材料，主要尺寸公差優(yōu)于±0.05mm，與晶體接觸面平面度公差優(yōu)于±0.005mm。促動(dòng)器支架4為鋁合金材料，主要尺寸公差優(yōu)于±0.05mm。壓電納米促動(dòng)器5標(biāo)稱行程19μm，剛度60n/μm，標(biāo)稱推力1200n，拉力200n。壓電陶瓷控制器8為九通道閉環(huán)控制器，可與上位計(jì)算機(jī)通訊，并能實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)8個(gè)壓電納米促動(dòng)器5產(chǎn)生納米量級分辨率的微小位移。此外，本發(fā)明中預(yù)緊螺釘7及全部螺紋孔，均為細(xì)牙精制，進(jìn)行檢測后螺紋導(dǎo)程(螺距)誤差應(yīng)小于0.02mm。

在滿足iso14644-1規(guī)定的5級空氣潔凈要求的光學(xué)精密裝配環(huán)境中，基于上述大徑厚比kdp激光倍頻晶體主動(dòng)光學(xué)夾持裝置，將仿真建模計(jì)算、機(jī)械裝配預(yù)緊和自動(dòng)光學(xué)調(diào)校串聯(lián)成閉環(huán)裝配工藝鏈，形成更合理、更精準(zhǔn)、更便捷、更高效的icf大徑厚比光學(xué)元件主動(dòng)光學(xué)控制方法。如圖3所示，具體執(zhí)行如下步驟：

步驟1：利用彈性力學(xué)基本理論和有限元方法，在ansys軟件中建立基于主動(dòng)光學(xué)夾持裝置的徑厚比為36:1的kdp激光倍頻晶體受力變形模型，并求解出給定外部激勵(lì)(包括機(jī)械振動(dòng)和熱沖擊)下能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的初始預(yù)緊力/位移參數(shù)(晶體壓板3施加預(yù)緊力，壓電納米促動(dòng)器5施加微小位移)。

步驟2：將框架組件2固定在氣浮光學(xué)平臺(tái)上，用真空吸盤陣列吸緊kdp激光倍頻晶體正面邊緣區(qū)域，將其精確裝入框架組件2中并放置在框架組件2正面底部的凸臺(tái)上。

步驟3：用預(yù)緊螺釘7將12塊晶體壓板3分別安裝在框架組件正面上部的相應(yīng)螺紋孔中，對晶體進(jìn)行初步預(yù)緊，同時(shí)對晶體面形形成初步補(bǔ)償。

步驟4：用預(yù)緊螺釘7將8個(gè)促動(dòng)器支架4安裝在框架組件正面上部的相應(yīng)螺紋孔中。

步驟5：將8個(gè)壓電納米促動(dòng)器5分別沿促動(dòng)器支架4頭部矩形槽裝入8個(gè)促動(dòng)器支架4中，用預(yù)緊螺釘7擰入矩形槽側(cè)壁螺紋孔以實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的徑向固定，后用預(yù)緊螺釘7擰入矩形槽頂部螺紋孔實(shí)現(xiàn)對壓電納米促動(dòng)器5的軸向限位。

步驟6：將8個(gè)壓電納米促動(dòng)器5與壓電陶瓷控制器8連接，根據(jù)步驟1中計(jì)算得到的最優(yōu)初始預(yù)緊位移值給每個(gè)壓電納米促動(dòng)器5相應(yīng)信號使其產(chǎn)生相應(yīng)的初始預(yù)緊位移。

步驟7：將初步安裝好的倍頻組件轉(zhuǎn)移至φ600mm大口徑近紅外波長移相干涉儀上，采用水平放置方式對晶體面形進(jìn)行精密測量，獲得在初始預(yù)緊狀態(tài)下的晶體面形數(shù)據(jù)，并判斷是否滿足工藝要求，如果已經(jīng)滿足工藝要求，則完成對kdp激光倍頻晶體1的裝校工作。

步驟8：如果在初始預(yù)緊狀態(tài)下測量得到的晶體面形超出允許誤差范圍，上位計(jì)算機(jī)以當(dāng)前面形為基準(zhǔn)重新計(jì)算每個(gè)壓電納米促動(dòng)器5的位移調(diào)整量，再由壓電陶瓷控制器8控制壓電納米促動(dòng)器5產(chǎn)生步長不大于2nm的步進(jìn)式位移量直至達(dá)到位移調(diào)整量值。

步驟9：自動(dòng)迭代執(zhí)行步驟7和步驟8，直至晶體面形滿足夾持工藝要求。

如圖4、5所示，未進(jìn)行主動(dòng)光學(xué)精密調(diào)整前的面形峰谷(pv)值為888nm，采用本發(fā)明進(jìn)行主動(dòng)光學(xué)精密調(diào)整后的面形峰谷(pv)值僅為471nm，與當(dāng)前采用的機(jī)械指片式kdp晶體夾持裝置相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

一、可實(shí)現(xiàn)晶體面形的在線主動(dòng)調(diào)節(jié)，可以極大地優(yōu)化kdp激光倍頻晶體1的倍頻轉(zhuǎn)換效率，有利于提高激光的光束質(zhì)量。

二、壓電納米促動(dòng)器5的使用顯著提高了裝配預(yù)緊力的加載精度，有利于改善kdp晶體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而減少不良雙折射的產(chǎn)生。

三、全閉環(huán)超精密裝配工藝流程在提高晶體裝配質(zhì)量精度的同時(shí)還有效減少了裝配耗時(shí)。