激光瞄准定位装置的制作方法

本发明属于脉冲激光装置激光瞄靶领域，具体涉及一种放置在真空靶室中的激光瞄准定位装置。

背景技术：

目前，在脉冲激光装置激光打靶前，必须先将激光的焦点精确引导到实验靶预先设定的弹着点位置，然后再发射激光。国内2014.3.26公开过一个发明，名称为：模拟靶定位装置，公开号为：CN102486941B，该发明涉及一种用于激光核聚变靶室诊断设备的模拟靶定位装置。另外一项是2010.02.17公开的发明，名称为：束靶耦合传感器，公开号为：CN100590381C，涉及光电传感器领域。前一项发明，模拟靶定位装置可以实现模拟靶的输运和高精度调试靶的功能，无法实现激光和靶的耦合成像；后一项发明，束靶耦合传感器，能够很好的实现激光束靶耦合功能，但是无法运输到靶点位置，并且其结构复杂、装配难度大、成本高、容靶空间有限、需要专业人员定期用专用装置(公开号为：CN102721368B束靶耦合传感器离线精密标定装置及标定方法)进行离线标定。

在激光装置激光打靶系统中，由于真空靶室内部的靶点附件集中放置了数量众多的各类诊断设备，空间狭小，而且打靶时产生的各种高温溅射物会污染和损坏束靶耦合传感器和定位运动装置，所以激光瞄准定位装置在完成激光高精度瞄准定位功能后，还必须进行有效自我保护，以此实现长期重复使用；所以，该激光瞄准定位装置还必须满足体积小、结构简单、成本低、装校容易，无需专人定期维护等要求，同时还必须兼顾激光波前校正测试单元(波前控制系统的主要设计功能是，在激光装置运行发射准备阶段，快速、精确地完成脉冲激光器静态和动态波前畸变的校正，实现输出光束满足靶面光强控制要求：100微米焦斑内包含≥80％的能量))，这就使上述两项发明专利中的装置的应用范围受到限制。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种激光瞄准定位装置，包括：

碎片防护仓，其内设置有第一单轨直线运动机构和第二单轨直线运动机构；

激光波前校正测试单元，其通过第一单轨直线运动机构驱动并沿第一单轨直线运动机构的轴线伸缩出入碎片防护仓；

激光束靶耦合单元，其通过第二单轨直线运动机构驱动并沿第二单轨直线运动机构的轴线伸缩出入碎片防护仓；

电气控制系统，其分别连接并控制激光束靶耦合单元、激光波前校正测试单元、第一单轨直线运动机构和第二单轨直线运动机构；

其中，在激光打靶前，首先通过控制第一单轨直线运动机构和第二单轨直线运动机构将激光波前校正测试单元和激光束靶耦合单元伸出碎片防护仓，然后依次进行激光波前校正测试复核和激光束靶耦合调试，以确保激光焦斑质量和激光打靶精度。

优选的是，所述激光瞄准定位装置还包括：

支撑定位部件，其与所述碎片防护仓的后端连接，所述支撑定位部件安装在真空靶球法兰上，且与真空靶球法兰的真空密封；所述支撑定位部件上设置有定位销，其与真空靶室法兰上的定位销孔相匹配实现整个激光瞄准定位装置快速高精度拆装复位功能；所述支撑定位部件上设置有真空航插，其与激光束靶耦合单元、激光波前校正测试单元、第一单轨直线运动机构和第二单轨直线运动机构的线缆连接，并同时连接至电气控制系统。

优选的是，所述激光波前校正测试单元安装在支架上，所述支架固定安装在第一单轨直线运动机构的运动滑块上，所述激光波前校正测试单元的线缆放在第一拖链线槽内，第一单轨直线运动机构安装在碎片防护仓的底座上；

所述的激光束靶耦合单元安装在顶杆上，且顶杆的顶端突出于激光束靶耦合单元；所述顶杆固定连接在第二单轨直线运动机构的运动滑块上，所述激光束靶耦合单元的线缆放在第二拖链线槽内，第二单轨直线运动机构安装在碎片防护仓的底座上；所述顶杆的顶端设置有第一滚动轴承。

优选的是，所述碎片防护仓上设置有防护门，其通过弹簧连接在碎片防护仓上；所述弹簧上设置有防护罩；所述防护门顶端设置第二滚动轴承；防护门由弹簧预紧力始终处于关闭状态，无需额外增加电气元件，并且弹簧自带防护罩，防止弹簧在恶劣环境中受到污染和损伤。

优选的是，所述激光束靶耦合单元由LED照明光源、反射铝镜、支撑架、镜头和第一CCD相机构成；所述激光波前校正测试单元由设置在激光入射方向的反射镜、反射镜反射方向的透镜和透镜透射方向的第二CCD相机构成。

优选的是，所述激光束靶耦合单元的支撑架为圆柱腔结构，其内均匀分布有三个顶丝Ⅴ，所述三个顶丝Ⅴ可实现前后调节距离为25mm，角度θx的调整范围为360°，θy、θz可以进行微调，每一维角度调节量均±0.5°；所述第一CCD相机与顶杆之间的安装板采用长孔调节方式，使激光束靶耦合单元整体左右位置的调节量为5mm。

优选的是，所述激光波前校正测试单元与支架之间设置有五维调整架；所述五维调整架由上、中和下三层板结构，上层板和中层板采用长孔Ⅰ、长孔Ⅱ、顶丝Ⅰ和拉丝Ⅰ的结构实现X、Y两维平移调整；下层板与通过圆弧形槽安装到支架上，其采用了四颗顶丝Ⅱ、四颗拉丝Ⅱ和球铰支撑Ⅰ组合式结构，实现了三维角度θx、θy、θz调节，每一维角度调节量均＞±2°，最后用两组锁紧螺丝固定位置。

优选的是，所述透镜通过一维平移架连接在支架上，所述一维平移架采用长孔Ⅲ、导向槽、顶丝Ⅲ和拉丝Ⅲ的结构，实现透镜前后X方向调节距离±5mm的调整。

优选的是，所述反射镜通过二维调整架连接在支架上，所述二维调整架二维角度调节范围为±2°；所述二维调整架采用四颗拉丝Ⅳ、四颗顶丝Ⅳ和中间球铰支撑Ⅱ组合结构。

在本发明中，所述的电气控制系统控制第一单轨直线运动机构伸出，支架立即向前伸出，当激光波前校正测试单元的反射镜到达激光入射光路中，即激光与实验靶之间，然后将聚焦的激光反射到透镜变为平行光后，进入第二CCD相机，第二CCD相机将采集到的激光的波前参数通过电气线缆传输到电气控制系统进行分析处理。

在本发明中，所述的激光束靶耦合单元和顶杆处在激光的正下方，否则会挡光，激光焦点无法到达实验靶表面；但是，通过一块45°反射铝镜将45°视角转向水平方向，镜头到靶的距离较短，占用空间小，成像清晰，激光束靶耦合单元安装在实验靶的法线方向，所以激光束靶耦合单元与激光波前校正测试单元错开一个位置，形成双层层叠错位结构(即阶梯结构)。

在本发明中，所述的电气控制系统在控制逻辑上，要求顶杆所在的激光束靶耦合单元必须先于激光波前校正测试单元伸出，晚于激光波前校正测试单元收回，即必须用顶杆实现防护门的开启和关闭，不能用激光波前校正测试单元去顶开或者关闭防护门，否则，会损坏反射镜。

在本发明中，所述的防护门由弹簧预紧力始终处于关闭状态，无需额外增加电气元件；并且弹簧自带防护罩，防止弹簧在恶劣环境中受到污染和损伤，导致失效后无法关门，无法实现对内部的激光束靶耦合单元和激光波前校正测试单元的保护。防护门、碎片防护仓和支撑定位部件组成的全封闭防护腔室，对仓内的两个重要单元起到了有效的电磁屏蔽、碎片防护和隔离高压蒸汽污染的作用。所述的防护门上的第二滚动轴承和顶杆上的第一滚动轴承在开、关防护门的过程中，将相对滑动摩擦变为滚动摩擦，阻力小、可靠性高。

本发明的放置在真空靶室中的激光瞄准定位装置，其特点是包括如下内容：该装置由激光束靶耦合单元及其第二单轨直线运动机构、激光波前校正单元及其第一单轨直线运动机构、碎片防护仓、支撑定位部件、电气控制系统，五大部分组成。

激光束靶耦合单元安装在第二单轨直线运动机构上，实现伸出和收回动作。激光波前校正测试单元安装在第一单轨直线运动机构上，实现伸出和收回动作。两者完全由碎片防护仓支撑安装和密闭封装，碎片防护仓的前端防护门的开关实现两个单轨直线运动机构的伸出或缩回动作。碎片防护仓的后端与支撑定位部件连接，支撑定位部件安装在真空靶球的法兰上，将前面三个组成部分水平悬臂支撑在真空靶球内，并且支撑定位部件的安装法兰还要实现与靶球的真空密封。

本发明的一种激光瞄准定位装置采用单轨直线运动机构，使运动执行机构体积小；两个单轨直线运动机构双层层叠错位结构，既能满足上层激光波前校正单元的功能，又能满足下层激光束靶耦合单元的功能。碎片防护仓的前端防护仓门由弹簧预紧力关闭，由下层单轨直线运动机构上的顶杆顶开。支撑定位部件上的定位销与真空靶室法兰上的定位销孔实现整个激光瞄准定位装置快速高精度拆装复位功能。

在本发明中，第一拖链线槽和第二拖链线槽内的线缆、第一单轨直线运动机构和第一单轨直线运动机构的线缆，集中汇总后，从支撑定位部件内腔穿过，与支撑定位部件上的真空航插14相连，真空航插通过电气线缆与电气控制系统15相连。电气控制系统15控制第一和第二单轨直线运动机构和往复运动控制，并且控制激光束靶耦合单元和激光波前校正测试单元6的各项功能的实现；激光束靶耦合单元的线缆放在第二拖链线槽内，激光波前校正测试单元的线缆放在第一拖链线槽内，拖链线槽结构保证了单元器件在运动过程中，所有线缆规范有序、不会散乱，影响正常功能。

在本发明中，第一单轨直线运动机构和第二单轨直线运动机构均采用单轨道的结构，使得整个运动机构结构紧凑，占用空间小。

本发明的一种激光瞄准定位装置的两个单轨直线运动机构与电气控制系统相连，实现往复运动控制，线缆穿过拖链线槽跟随运动，线缆另一端通过支撑定位部件的安装法兰上的真空航插转接出去，与电气控制系统连接。激光波前校正测试单元与电气控制系统相连，实现激光波前采集与数据处理功能。激光束靶耦合单元也与电气控制系统相连，实现激光焦点和实验靶图像采集与数据处理，实现激光束靶耦合，实现高精度打靶。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的一种激光瞄准定位装置将激光束靶耦合单元和激光波前校正测试单元集成到一起，结构简单、体积紧凑、成本低、装校容易，无需专人定期维护；并且不受容靶空间限制，并且防护仓对仓内的两个重要单元起到很好的电磁屏蔽、碎片防护和高压蒸汽隔离的保护作用，因此，该装置特别适用于实验靶和靶座体积庞大，真空靶室打靶时大量高压蒸汽和高速碎片产生的恶劣环境中。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明的一种激光瞄准定位装置的结构图；

图2为本发明的激光瞄准定位原理图；

图3为反射镜二维角度调整架；

图4为透镜一维平移架；

图5为激光波前校正测试单元CCD相机的五维调整架(上视图)；

图6为激光波前校正测试单元CCD相机的五维调整架(下视图)；

图7为激光束靶耦合单元支撑架；

图1中，1.顶杆，2.激光束靶耦合单元，3.防护门，4.第二拖链线槽，5.第二单轨直线运动机构，6.激光波前校正测试单元，7.支架，8.第一拖链线槽，9.第二单轨直线运动机构，10.碎片防护仓，11.支撑定位部件，12.真空靶室法兰，13.定位销，14.真空航插，15.电气控制系统。

图2中，16.实验靶，17.滚动轴承，18.LED照明光源，19.反射铝镜，20.支撑架，21.镜头，22.第一CCD相机，23.滚动轴承，24.弹簧，25.第二CCD相机，26.透镜，27.反射镜，28.激光，29.二维电动反射镜。

图3中，30.拉丝Ⅳ，31.顶丝Ⅳ，32.球铰支撑Ⅱ

图4中，33.长孔和导向槽，34.拉丝Ⅲ，35顶丝Ⅲ

图5中，36.上层板，37.长孔Ⅰ，38顶丝Ⅰ.，39.中层板，40.长孔Ⅱ，41.顶丝

图6中，42.下层板，43.拉丝Ⅱ，44.顶丝Ⅱ，45.球铰支撑Ⅰ，46.锁紧螺丝，47.五维调整架

图7中，48.顶丝Ⅴ。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了本发明的一种激光瞄准定位装置，包括：碎片防护仓10，其内设置有第一单轨直线运动机构9和第二单轨直线运动机构5；

激光波前校正测试单元6，其通过第一单轨直线运动机构9驱动并沿第一单轨直线运动机构9的轴线伸缩出入碎片防护仓10；

激光束靶耦合单元2，其通过第二单轨直线运动机构5驱动并沿第二单轨直线运动机构5的轴线伸缩出入碎片防护仓10；

电气控制系统15，其分别连接并控制激光束靶耦合单元2、激光波前校正测试单元6、第一单轨直线运动机构9和第二单轨直线运动机构5；

其中，在激光打靶前，首先通过控制第一单轨直线运动机构9和第二单轨直线运动机构5将激光波前校正测试单元6和激光束靶耦合单元2伸出碎片防护仓10，然后依次进行激光波前校正测试复核和激光束靶耦合调试，以确保激光焦斑质量和激光打靶精度。

在上述技术方案中，所述激光瞄准定位装置还包括：

支撑定位部件11，其与所述碎片防护仓10的后端连接，所述支撑定位部件11安装在真空靶球法兰12上，且与真空靶球法兰12的真空密封；所述支撑定位部件11上设置有定位销13，其与真空靶室法兰12上的定位销孔相匹配；所述支撑定位部件11上设置有真空航插14，其与激光束靶耦合单元2、激光波前校正测试单元6、第一单轨直线运动机构9和第二单轨直线运动机构5的线缆连接，并同时连接至电气控制系统15。

在上述技术方案中，所述激光波前校正测试单元6安装在支架7上，所述支架7固定安装在第一单轨直线运动机构9的运动滑块上，所述激光波前校正测试单元7的线缆放在第一拖链线槽8内，第一单轨直线运动机构9安装在碎片防护仓10的底座上；

所述的激光束靶耦合单元2安装在顶杆1上，且顶杆1的顶端突出于激光束靶耦合单元2；所述顶杆1固定连接在第二单轨直线运动机构5的运动滑块上，所述激光束靶耦合单元2的线缆放在第二拖链线槽4内，第二单轨直线运动机构5安装在碎片防护仓41的底座上；所述顶杆1的顶端设置有第一滚动轴承17。

在上述技术方案中，所述碎片防护仓10上设置有防护门3，其通过弹簧24连接在碎片防护仓10上；所述弹簧24上设置有防护罩；所述防护门顶端设置第二滚动轴承23。

在上述技术方案中，所述激光束靶耦合单元2由LED照明光源18、反射铝镜19、支撑架20、镜头21和第一CCD相机22构成；所述激光波前校正测试单元6由设置在激光入射方向的反射镜27、反射镜反射方向的透镜26和透镜透射方向的第二CCD相机25构成。

图2为激光瞄准定位原理图，图2中，实验靶16安装在与垂直方向呈45°的靶座上，靶座上的实验靶16的法线与第一单轨直线运动机构9和第二单轨直线运动机构5的运动方向成90°，激光28从正上方经二维电动反射镜29反射后，垂直向下聚焦入射到实验靶16的表面上，与实验靶16的法线呈45°。常规打靶前，首先需要进行激光波前校正测试复核，确保激光焦斑质量。工作过程如下：电气控制系统15控制第二单轨直线运动机构5伸出，顶杆1立即向前伸出，顶杆1上的滚动轴承17首先接触并顶开防护门3，在门上表面滚动前进，最后与防护门3上的滚动轴承23接触后伸出防护门3；接着滚动轴承23在顶杆1下表面继续滚动，顶杆1继续往前伸出到实验靶16的位置。接着，电气控制系统15控制第二单轨直线运动机构9伸出，支架7立即向前伸出，当反射镜27到达激光28入射光路中(激光28与实验靶16之间)，然后将聚焦的激光28反射到透镜26变为平行光后，进入第二CCD相机25，第二CCD相机25将采集到的激光28的波前参数通过电气线缆传输到电气控制系统15进行分析处理。激光波前校正完成后，电气控制系统15控制单轨直线运动机构9收回，支架7立即向后收回，退到碎片防护仓10内。

激光波前校正测试单元6测试完成后，紧接着，需要进行激光束靶耦合调试，确保激光打靶精度。工作过程如下：电气控制系统15控制第二单轨直线运动机构5精确调整位置，同时调整LED照明光源18的照明亮度，使实验靶16和激光28聚焦光点在第一CCD相机22上能够成清晰完整的图像，如果激光28的光点偏离了打靶位置，就需要调整二维电动反射镜29，将光点向实验靶16表面上打靶标志点移动，直到精确到位，这就实现了高精度束靶耦合。激光束靶耦合单元2和顶杆1不能像激光波前校正测试单元6，处在激光28的正下方，否则会挡光，激光焦点无法到达实验靶16表面；所以，巧妙的通过一块45°反射铝镜19将45°视角转向水平方向，而且镜头21到靶的距离较短占用空间小，成像清晰，激光束靶耦合单元2安装在实验靶16的法线方向，所以激光束靶耦合单元2与激光波前校正测试单元6错开一个位置，形成双层层叠错位结构(即阶梯结构)。激光束靶耦合调试完成后，电气控制系统15控制单轨直线运动机构5收回，顶杆1立即向后收回，防护门3上的滚动轴承23在顶杆1下表面滚动，当与顶杆1上的滚动轴承17接触后，改由顶杆1上的滚动轴承17在防护门3上表面滚动，防护门3在弹簧24的恢复力作用下，逐步关闭，当顶杆1上的滚动轴承17彻底退回碎片防护仓10内后，与防护门3逐渐分开，防护门3在弹簧24的作用力下完全关闭。

在另一种实施例中，所述激光束靶耦合单元2的支撑架20为圆柱腔结构，其内均匀分布有三个顶丝Ⅴ48，所述三个顶丝Ⅴ48可实现前后调节距离为25mm，角度θx的调整范围为360°，θy、θz可以进行微调，每一维角度调节量均±0.5°；所述第一CCD相机22与顶杆1之间的安装板采用长孔调节方式，使激光束靶耦合单元整体左右位置的调节量为5mm。

在另一种实施例中，所述激光波前校正测试单元6与支架7之间设置有五维调整架47；所述五维调整架47由上36、中39和下42三层板结构，上层板36和中层板39采用长孔Ⅰ37、长孔Ⅱ40、顶丝Ⅰ38和拉丝Ⅰ的结构实现X、Y两维平移调整；下层板42通过圆弧形槽安装到支架7上，其采用了四颗顶丝Ⅱ44、四颗拉丝Ⅱ43和球铰支撑Ⅰ45组合式结构，实现了三维角度θx、θy、θz调节，每一维角度调节量均＞±2°，最后用两组锁紧螺丝固定位置；

在另一种实施例中，所述透镜26通过一维平移架连接在支架7上，所述一维平移架采用长孔Ⅱ、导向槽33、顶丝Ⅲ35和拉丝Ⅲ34的结构，实现透镜前后X方向调节距离±5mm的调整。

在另一种实施例中，所述反射镜27通过二维调整架连接在支架7上，所述二维调整架二维角度调节范围为±2°；所述二维调整架采用四颗拉丝Ⅳ30、四颗顶丝Ⅳ31和中间球铰支撑Ⅱ32组合结构。

在激光波前校正测试单元6首次调试或者出现异常需要重新装调时，需要对该单元的各个组成器件进行调整。装调过程如下：首先将CCD相机25安装到五维调整架47的上层板36，图5为激光波前校正测试单元CCD相机的五维调整架(上视图)，图6为激光波前校正测试单元CCD相机的五维调整架(下视图)，上层板36通过长孔Ⅰ37安装到中层板39，并实现相对于中层板39左右Y方向±5mm的平移，然后用两颗对顶的顶丝Ⅰ38锁紧左右的位置；中层板39通过长孔Ⅱ40安装到下层板42，并实现相对于下层板42前后X方向±10mm的平移，然后用两颗对顶的顶丝41锁紧前后的位置；下层板42通过圆弧形槽安装到支架7，仍然采取了四顶(四颗顶丝Ⅱ44)四拉(四颗拉丝Ⅱ43)、球铰支撑Ⅰ45组合式结构，实现了三维角度θx、θy、θz调节，每一维角度调节量均＞±2°，最后用两组锁紧螺丝46固定位置。

然后电气控制系统15采集到第二CCD相机25的激光28的波前图像，如果图像过大，就需要调整图4的透镜一维平移架向激光28的入射方向移动，松开长孔和导向槽33内的螺钉，一顶(顶丝Ⅲ35)一拉(拉丝Ⅲ34)，使透镜精确一维直线调节，前后X方向调节距离±5mm。如果图像过小，就需要调整图4的透镜一维平移架向激光28的出射方向移动。

如果电气控制系统15采集到第二CCD相机25的激光28的波前图像偏离了第二CCD相机25的成像面，就说明激光入射角度不是水平入射，而且偏角过大，就需要调整图3的反射镜二维调整架，反射镜二维角度可调，调节范围为±2°。采用四拉(拉丝Ⅳ30)四顶(顶丝Ⅳ31)、中间球铰支撑球铰支撑Ⅱ32结构，其结构紧凑、调节可靠、稳定性高。此结构角度调节可实现正交调节，调节灵敏度较高。将激光28的波前图像的中心调到第二CCD相机25的成像面的中心位置。

如果电气控制系统15采集到第二CCD相机25的激光28的波前图像在第二CCD相机25的成像面上不是圆形，而是椭圆，或者不是正方形，而是梯形，就说明第二CCD相机25的成像面与激光28的光轴不垂直，就需要调整五维调整架47三维角度θx、θy、θz调节，每一维角度调节量均＞±2°，最后用两组锁紧螺丝46固定位置。

激光束靶耦合单元2首次调试或者出现异常需要重新装调时，需要对该单元的各个组成器件进行调整。装调过程如下：首先电气控制系统15将激光束靶耦合单元2伸出到靶座的位置，将第一CCD相机22的镜头21的调焦旋钮旋到左右极限的中间位置，然后精确调整实验靶16的中心法线与方向45°反射铝镜19的中心法线重合，如果不重合，就需要松开图7激光束靶耦合单元的支撑架20的三个顶丝48，其中反射镜支撑可前后调节距离为25mm，角度θx的调整范围为360°，θy、θz可以进行小角度微调，每一维角度调节量均±0.5°，同时，第一CCD相机22与顶杆1之间的安装板采用长孔调节方式，使激光束靶耦合单元2整体左右位置的调节量为5mm。使第一CCD相机22能够采集到实验靶16(尺寸：<7mm×7mm或者φ7mm的平面)的完整图像，如果图像不清晰，就需要旋转镜头21的调焦旋钮，使图像完整清晰，便于电气控制系统15对实验靶16标志点和激光28的焦点位置中心进行图像处理。

另外，电气控制系统15在控制逻辑上，要求顶杆1所在的激光束靶耦合单元2必须先于激光波前校正测试单元6伸出，晚于激光波前校正测试单元6收回，即必须用顶杆1实现防护门3的开启和关闭，不能用激光波前校正测试单元6去顶开或者关闭防护门3，否则，会损坏反射镜27。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。