專利名稱：改善重力引起的光學元件的附加面形的方法及其夾持系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超薄光學元件附加面形的控制方法，特別涉及一種利用杠桿原理改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件的附加面形的方法，以及實現該方法的夾持系統，屬于光學元件附加面形控制領域。
背景技術：
隨著高功率激光技術的不斷發展，人們對激光系統的集光能力、分辨能力、傳輸能力的要求也在不斷地提高。由于激光峰值功率受限于系統光學元件的損傷閾值，分辨能力正比于主鏡的尺寸等因素，致使光學元件口徑越來越大。光學元件口徑增大，極大地影響了整個光學系統重量和體積，同時也增加了工程的制作成本。因此，通過減小光學元件厚度， 使用薄型和超薄型光學元件來改善光學系統結構成為目前大口徑光學系統設計的主要方式。然而，隨著光學元件厚度的減小，其寬厚比則增大，使得光學元件面形在使用過程中非常容易受到如重力作用、機械振動等外界因素的影響，進而導致光束質量的惡化。其中，光學元件的自身重量和夾持該光學元件時所產生的光學元件變形尤為突出。在慣性約束核聚變(ICF)倍頻系統中，大口徑超薄KDP晶體作為ICF系統中頻率轉換的關鍵元件，其自身重量和夾持力引入的附加面形將導致KDP晶體內部晶軸的彎曲，從而會引起相位失配，進而導致頻率轉換效率降低。因此，在選擇頻率轉換元件KDP晶體的夾持方式時，既要保證能將該晶體進行固定，又要盡量控制其附加面形相對為最小值，以保證其具有良好的面形。然而，現有的ICF倍頻系統中KDP晶體的夾持方式和夾持系統在實現方式、附加面形的改善程度、以及制造成本等方面都存在一些缺陷和不足，因此，改進KDP晶體的夾持方式和夾持系統是ICF技術領域研究的熱點和難點問題之一。在現有技術中，改善ICF倍頻系統KDP晶體附加面形的夾持方法主要有以下幾種I、全外圍夾持法該方法由美國Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)提出，其主要結構是在KDP晶體正面提供4條用以施力的壓條組成，晶體的支撐部分為沒有專門設計用以優化的支撐條結構，依據該方法設計的夾持系統可以使KDP晶體的附加面形小于I μ m。 在文獻(R. L. Hibbard, M. A. Norton, P. J. ffegner. The Design ofPrecision Mounts for Optimizing the Conversion Effficiency of KDP Crystals for the National Ignition Facility[R], UCRL-JC130317,1998.)中，口徑為 370X370mm2、加工平面度為 3 5μπι 的 KDP晶體,采用加工平面度為I 5μηι的夾持系統,其在垂直放置自由狀態下的面形為
2.75 μ m，而采用全外圍夾持法，施加I. 01bs/in的線性載荷后，其面形為3. 2 μ m，相應的附加面形為 0.45 μ m。在文獻(P ffegner, J Auerbach, T Biesiada, S Dixit etc. NIF final optics system !frequency conversion and beam conditioning[R]· Proc. SPIE,2004) 中，口徑為400當使用加工平面度為I 5μπι的夾持系統，施加1.0 2.01bs/in的線性載荷后，二倍頻和三倍頻KDP晶體的面形P-V值均為3. 5 μ m。說明該方法能在一定程度上優化大口徑超薄KDP的附加面形。但該方法實現過程中，對夾持系統的加工平面度要求極高，對KDP晶體施加的力也比較大，因而容易在KDP晶體內部產生殘留應力。而且，實現全外圍夾持法的裝置價格也相當昂貴。2、粘膠法該方法由法國French Atomic Energy Commission(CEA)提出，依據該方法設計的夾持系統可以在很大程度上減小二倍頻KDP晶體在e軸的形變，該形變是引起相位失配起主要因素。在文獻(Olivier Lubin, Claude Gouedard, Modeling of the effects of KDP crystals gravity sag on third harmonic generation[J]. SPIE,1999, Vol. 3492 802-808.)中，口徑為410X410mm2的二倍頻和三倍頻KDP晶體在與水平方向成28°放置狀態下的最大的面形分別為15. 7 μ m和17. 6 μ m。但該方法在實現過程中，對三倍頻KDP晶體，其產生的橫向受激拉曼散射效應很容易損傷與ο軸方向平行使用的硅膠，導致三倍頻晶體沿ο軸的形變較大，而且，使用硅膠后，二倍頻和三倍頻晶體側面和正面邊緣的硅膠很難清理，容易對晶體造成污染，在清理過程中，也可能損傷晶體。3、側面膠釘夾持法該方法由中國工程物理研究院提出，依據該方法設計的夾持系統每個側面均有八個膠釘來固定和調節KDP晶體，在終端組件裝校過程中，可以很好地調節KDP晶體晶軸的取向。但該方法在實現過程中，當KDP晶體傾斜放置狀態下，對重力引起的面形變化沒有優化和控制作用，容易引起更大的附加面形，而且，由于夾持系統的四個側面共有三十二個膠釘，其控制也很復雜。

發明內容
本發明的目的正是為了克服所述現有技術中存在的缺陷和不足，而提供一種改善重力引起的光學元件的附加面形的方法，該方法是利用杠桿原理，針對不同工作姿態的光學元件，在光學元件口徑及其有效通光孔徑給定情況下，來改善大口徑超薄透射式光學元件的附加面形；以及提供一種實現該方法的夾持系統，該夾持系統主要由夾具支撐條和壓條構成，通過改變夾具支撐條和壓條的長度、寬度、位置，以及給壓條施加力的大小，以實現改善大口徑超薄透射式光學元件的附加面形。本發明的基本原理是利用力學中杠桿原理來改善大口徑超薄透射式光學元件的附加面形，即針對光學系統中的大口徑超薄透射式光學元件，在其有效通光孔徑給定的情況下，首先采用有限元分析軟件ANSYS建模仿真大口徑超薄透射式光學元件及夾持系統， 計算出所述光學元件在不同工作姿態下放置達到平衡時，其有效通光孔徑內附加面形變化最小時夾持系統中支撐條和壓條的長度、寬度、位置以及給壓條施加的力的大小；進而將支撐條和壓條的長度、寬度、位置固定，并設計出相應的夾持系統。然后使用大口徑干涉儀測量大口徑超薄透射式光學元件在自由狀態下的面形和安裝到夾持系統后的附加面形；最后通過力矩扳手在線改變施加到壓條上的力，使有效通光孔徑內的附加面形為最小；進而達到改善大口徑超薄透射式光學元件的目的。為實現改善大口徑超薄透射式光學元件附加面形的方法，提供一種夾持系統，該夾持系統包括夾具底座，夾具擋板，夾具支撐條，壓條，光學元件；力矩扳手，大口徑干涉儀及其測量臺獨立設置。通過本發明所述的方法及其夾持系統即能改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件的附加面形。
為實現本發明的目的，本發明采用由以下措施構成的技術方案來實現的。本發明提供的改善大口徑超薄透射式光學元件附加面形的方法，其特征在于包括以下實現步驟(I)針對大口徑超薄透射式光學元件，在其有效通光孔徑給定的情況下，采用有限元分析軟件建立大口徑超薄透射式光學元件及其夾持系統的模型；(2)將所述大口徑超薄透射式光學元件有效通光孔徑內的附加面形作為優化的目標函數，通過計算模擬得到所述光學元件以不同角度放置達到平衡時附加面形變化值相對為最小的解；(3)根據所述變化值相對最小的解來確定夾持系統模型中的相關參數，以及確定給夾持系統所施加力的大小，進而設計相應的夾持系統；(4)然后將所述大口徑超薄透射式光學元件安裝在所設計的夾持系統中，使用大口徑干涉儀實時測量大口徑超薄透射式光學元件在自由狀態下的面形和安裝到夾持系統后的附加面形；(5)最后通過力矩扳手在線多次改變所施加到夾持系統中的力，并使大口徑超薄透射式光學元件在其有效通光孔徑內的附加面形的測量值在I. 2μπι以內，以達到改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件附加面形的目的。上述方案中，所述夾持系統模型中的相關參數是指支撐條和壓條的長度、寬度、厚度和位置。上述方案中，所述給夾持系統所施加的力是指給夾持系統模型中的壓條所施加的力，其施加力的大小在100Ν以內。上述方案中，所述通過力矩扳手在線多次改變所施加到夾持系統的力，是指通過力矩扳手在夾持系統中的每個螺栓上多次所施加的壓力。本發明一種實現改善大口徑超薄透射式光學元件附加面形方法的夾持系統，包括夾持底座，大口徑超薄光學元件KDP晶體，夾持擋板，壓條，小圓柱，支撐條，螺栓，壓片；夾持擋板和支撐條緊密附著于夾持底座之上，壓片通過小圓柱和螺栓與夾持擋板緊密連接， 小圓柱和螺栓緊密附著于夾持擋板之上；在線多次改變所施加到夾持系統中的壓力的力矩扳手單獨放置，實時測量大口徑超薄光學元件附加面形的大口徑干涉儀及其測量臺獨立設置。上述方案中，所述支撐條是在夾持底座上挖出回字形的凹槽；或設計為平板結構。上述方案中，所述支撐條為回形結構時，其長度小于所述大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體的邊長。上述方案中，所述支撐條為平板結構時，其長度小于大口徑超薄透射式光學元件 KDP晶體的邊長。上述方案中，所述螺栓位于壓片的中心位置，小圓柱對稱于壓片兩端。本發明與現有技術相比具有以下特點及有益的技術效果I、本發明提供的改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件附加面形的方法及實現該方法的夾持系統，以用于慣性約束核聚變驅動器中頻率轉換系統的大口徑超薄倍頻KDP晶體為例,在該KDP晶體和夾持系統加工平面度與現有技術中Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)提出的全外圍夾持方法加工平面度要求相同的條件下,本發CN 102591013 A
明的方法不僅可以有效地改善重力引起的附加面形，而且在附加面形最小的情況下，其夾持系統中壓條所施加的力相對較小，因此，KDP晶體內部的殘留應力也較小。2、本發明提供的改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件附加面形的方法及實現該方法的夾持系統，除大口徑超薄透射式光學元件本身的價格比較昂貴外， 所述夾持系統的材料和加工費用相對于現有技術中Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)提出的全外圍夾持方案要低很多。3、本發明提供的改善ICF倍頻系統中大口徑超薄透射式光學元件附加面形的方法，具有理論簡單，易于實現，步驟簡潔，便于操作的優勢；提供的實現本方法的夾持系統， 具有結構簡單，操作方便，造價低廉，且易于加工等突出優點。


圖I為本發明實現改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體附加面形方法的夾持系統整體結構示意圖；圖2為圖I夾持系統的實現方式之一，其中支撐條為平板結構，其長度小于大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體的邊長；圖3為圖I夾持系統的實現方式之二，其中支撐條為回形結構，其長度小于大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體的邊長；圖4為本發明所述大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體支撐簡圖示意圖；圖5為本發明改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體附加面形的方法的原理結構示意圖。圖中，I為夾持底座、2為大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體、3為夾持擋板、4為壓條、5為小圓柱、6為支撐條、7為螺栓、8為壓片。
具體實施例方式下面結合附圖，并通過具體的實施例對本發明作進一步的詳細說明，但并不意味著是對本發明所述內容的任何限定。圖I中，所述夾持系統的整體結構圖，包括夾持底座1，大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2，夾持擋板3，壓條4，小圓柱5，支撐條6，螺栓7，壓片8。夾持擋板3和支撐條 6緊密附著于夾持底座I之上，夾持擋板3的作用是限制大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體側向的移動，壓片8通過小圓柱5和螺栓7與夾持擋板3緊密連接，小圓柱5和螺栓7緊密附著于夾具擋板3之上，小圓柱5的作用是限制壓片8的相對位置，并通過壓片8中心的螺栓7施加的力來作用于壓條4之上，進而控制大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體的附加面形；改變壓條上的力的力矩扳手獨立放置，在給夾持系統中壓條4施加力時，將力矩扳手用于在線調節壓片8中心的螺栓7，達到改變光學元件KDP晶體附加面形的目的；實時測量大口徑超薄透射式光學元件附加面形的大口徑干涉儀及其測量臺也獨立設置。圖2中，所述圖I夾持系統結構的實現方式之一，其中所述支撐條6為平板結構， 其長度大于200mm，而小于大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2的邊長。圖3中，所述圖2夾持系統結構的實現方式之二，其中所述支撐條6為回形結構， 其長度等于大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2的邊長。
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圖4中，所述本發明大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體支撐簡圖，其中s為支撐條6距大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2邊緣的距離；陰影部分表示大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2的體積元；dx為體積元寬度，X為體積元距大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2中心的距離。圖5中，為使大口徑超薄透射式光學元件2達到平衡，在大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2的上側面加上壓條4，并施加采用仿真軟件算出的大口徑超薄透射式光學元件 KDP晶體2的最小附加面形時所需要的力F ;根據力學杠桿原理，當重力G的力矩和施加的力F的力矩相同的情況下，大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2則整體達到平衡，此時， 大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2的附加面形也最小。本發明以下的實施例中，所述大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體2為慣性約束核聚變(ICF)系統中驅動器中頻率轉換系統的大口徑超薄KDP晶體；所述支撐條6和原理圖的支撐作用相同，所述的壓條4設計為壓框，設計為壓框是為了減低操作過程中的難度， 壓框所起的作用與壓條所起的作用相同；所述夾持擋板3其作用是限制大口徑超薄KDP晶體2側向的移動，每個夾持擋板3上的小圓柱是用于限制壓片8的相對位置，通過力矩扳手調節壓片8中心的螺栓所施加的力來控制大口徑超薄KDP晶體2的附加面形。本發明所述的力學杠桿原理是，若要使物體達到平衡，必須滿足的平衡條件是動力X動力臂=阻力X阻力臂；以水平放置的慣性約束核聚變(ICF)系統中驅動器中頻率轉換系統的大口徑超薄KDP晶體2為例，利用杠桿原理，采用有限元分析軟件ANSYS建立大口徑超薄KDP晶體模型，通過此有限元分析軟件仿真計算出所用大口徑超薄KDP晶體2的口徑為330mm時，所述支撐條長度為130mm，厚度為5mm，寬度為5mm，其距所用KDP晶體邊緣的位置5mm ;所述壓條的外徑為330mm,內徑為320mm,厚度5mm,寬度5mm ;所用大口徑超薄 KDP晶體2的口徑為430mm時，所述支撐條長度為200mm，厚度為5mm，寬度為5mm，其距所用 KDP晶體邊緣的位置5mm ;所述壓條的外徑為430mm,內徑為420mm,厚度5mm,寬度5mm。在ICF系統中，將驅動器中頻率轉換系統中的大口徑超薄KDP晶體2劃分為四個三角形區，其坐標系如圖4所示。設大口徑超薄KDP晶體2的長度為2L，厚度為h，支撐條距大口徑超薄KDP晶體2邊緣的距離為S，所述KDP晶體2的密度為P，重力加速度為g，則圖4中陰影區域體積元的質量為下式所示
權利要求
1.一種利用杠桿原理改善重力引起的光學元件的附加面形的方法，其特征在于包括以下實現步驟(1)針對大口徑超薄透射式光學元件，在其有效通光孔徑給定的情況下，采用有限元分析軟件建立大口徑超薄透射式光學元件及其夾持系統的模型；(2)將所述大口徑超薄透射式光學元件的有效通光孔徑內的附加面形作為優化的目標函數，并通過計算模擬得到所述光學元件以不同角度放置達到平衡時其附加面形變化值為最小的解；(3)根據所述變化值的最小解來確定夾持系統模型中的相關參數，以及確定給夾持系統中相應部件所施加的力的大小，進而設計相應的夾持系統；(4)然后將所述大口徑超薄透射式光學元件安裝在所設計的夾持系統中，使用大口徑干涉儀實時測量大口徑超薄透射式光學元件在自由狀態下的面形和安裝到夾持系統后的附加面形；(5)最后通過力矩扳手在線多次改變所施加到夾持系統中的力，并使大口徑超薄透射式光學元件在其有效通光孔徑內的附加面形的測量值在I. 2μπι以內。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述夾持系統模型中的相關參數是指支撐條和壓條的長度、寬度、厚度和位置。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述給夾持系統所施加的力是指給夾持系統模型中的壓條所施加的力，其施加力的大小在100牛頓以內。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述通過力矩扳手在線多次改變所施加到夾持系統的力，是指通過力矩扳手在夾持系統中的每個螺栓上多次所施加的壓力。
5.實現權利要求1-4任一項所述的方法的夾持系統，其特征在于包括夾持底座(1)，大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體(2)，夾持擋板(3)，壓條(4)，小圓柱(5)，支撐條(6)，螺栓(7)，壓片⑶；夾持擋板(3)和支撐條(6)緊密附著于夾持底座⑴之上，壓片⑶通過小圓柱(5)和螺栓(7)與夾持擋板(3)緊密連接，小圓柱(5)和螺栓(7)緊密附著于夾持擋板(3)之上；在線多次改變所施加到夾持系統中的壓力的力矩扳手單獨放置，實時測量大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體(2)附加面形的大口徑干涉儀及其測量臺獨立設置。
6.根據權利要求5所述的夾持系統，其特征在于所述支撐條(6)是在夾持底座(I)上挖出回字形的凹槽；或為平板結構。
7.根據權利要求5或6所述的夾持系統，其特征在于所述支撐條(6)為回字形的凹槽時，其長度小于所述大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體(2)的邊長。
8.根據權利要求5或6所述的夾持系統，其特征在于所述支撐條(6)為平板時，其長度小于大口徑超薄透射式光學元件KDP晶體(2)的邊長。
9.根據權利要求5所述的夾持系統，其特征在于所述螺栓(7)位于壓片(8)的中心位置，小圓柱(5)對稱于壓片(8)兩端。
全文摘要
本發明涉及一種改善重力引起的光學元件附加面形的方法及其夾持系統。該方法是利用杠桿原理，針對大口徑超薄透射式光學元件在其有效通光孔徑的情況，通過本發明的夾持系統，采用有限元分析軟件進行建模仿真確定出光學元件在不同工作姿態下放置平衡時，其附加面形變化最小時夾持系統中支撐條和壓條長度、寬度、位置及給壓條施加力的大小。改變壓條施加的力使夾持系統中光學元件在不同工作姿態下的平衡狀態，從而改善重力引起的光學元件附加面形目的。實現該方法的夾持系統包括底座、支撐條、擋板、壓條、光學元件及外置扳手和大口徑干涉儀。通過本發明的方法及夾持系統即能改善重力引起的大口徑超薄透射式光學元件的附加面形。
文檔編號G02B7/00GK102591013SQ20121007902
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者葉榮, 吳雙, 崔凱洪, 張彬, 徐攀, 徐旭, 曹庭分, 熊召, 袁曉東, 賀少勃, 賈凱, 鄭萬國 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心, 四川大學