一种激光倍频晶体的精密夹持装置与主动光学控制方法与流程

本发明属于光学技术领域，涉及激光惯性约束聚变装置中高功率固体激光驱动器中的大口径光学元件的精密装配和校准，特别涉及一种激光倍频晶体的精密夹持装置与主动光学控制方法。

背景技术：

在2.0mj能级的巨型惯性约束聚变装置(简称icf)中，高功率激光束会经过预防大、滤波、主放大、滤波、倍频以及调整聚焦等过程，最终实现对靶点的高能激光注入以引起氘-氚(dt)聚变反应。其中，倍频组件位于激光光路最末端的终端光学组件之中，具有极其关键的作用：承担着将波长为1053nm的基频光转换成波长为351nm的三倍频光的任务，最终目的是提高靶点等离子体对激光的吸收利用效率。激光倍频组件采用了人工生长单晶体——例如，磷酸二氢钾(kdp)晶体——作为倍频转换的中间介质。这是一种典型的非线性光学材料，具有良好的激光透过性，非中心对称晶体结构能够产生二次倍频谐波，同时它还具有较大的二阶非线性电极化系数，因此在高能激光的倍频转换过程中具有较高的理论谐波转化效率。为了保证良好的光束质量，即较高的谐波转化效率，大径厚比kdp晶体在生长、加工和装配过程中都面临着极其严苛的技术指标要求，此类晶体的精密夹持和面形控制方法也一度成为世界性的难题。

由于当前惯性约束聚变装置中采用的kdp晶体夹持装置和装校方法存在有原理性缺陷，直接导致kdp晶体面形精度误差大，内部应力分布不均匀，这又间接导致了激光倍频转换效率的大幅度降低，严重影响了靶点的能量吸收效率；此外，当前复杂繁琐的装配工艺流程也已经难以满足我国下一代激光惯性约束聚变装置的建设进度需求。

技术实现要素：

为了克服上述传统纯机械式kdp晶体夹持装置和装校方法等现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光倍频晶体的精密夹持装置与主动光学控制方法，可进一步提高激光倍频转换效率和倍频组件的安装效率，尤其适用于大径厚比kdp激光倍频晶体。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种激光倍频晶体的精密夹持装置，包括：

框架组件2，为矩形框体，用于实现夹持装置整体在终端光学组件中的安装和定位，激光倍频晶体元件1位于矩形框体内；

晶体压板3，为条状结构，设置在框架组件2的框体上方，实现激光倍频晶体元件1的初始预紧；

促动器支架4，设置在框架组件2的框体上方，作为进行晶体面形主动光学控制的基础，促动器支架4的顶部位置的侧面开有矩形槽；

压电纳米促动器5，其尾部卡入所述矩形槽中，并通过预紧螺钉进行径向固定和轴向限位，所述压电纳米促动器5能够沿自身轴向输出直线运动，其头部输出端安装有与激光倍频晶体元件1的正面直接接触的球形压头6；

压电陶瓷控制器8，与所述压电纳米促动器5以及上位计算机连接，根据上位计算机的指令输出不同大小的电压驱动所述压电纳米促动器5产生相应大小的位移载荷施加到激光倍频晶体元件1的表面。

所述框架组件2在其四个侧面上共开有8个螺纹孔，用来实现夹持装置整体在终端光学组件中的安装和定位。

所述框架组件2的正面上部，共开有40个螺纹孔，其中24个用于安装晶体压板3以实现激光倍频晶体元件1的初始预紧，另外16个用于安装促动器支架4作为进行晶体面形主动光学控制的基础。

在每个晶体压板3上开有2个光孔，预紧螺钉穿过这两个光孔，拧入框架组件2上的螺纹孔，使得晶体压板3可以实现对激光倍频晶体元件1的正面初始预紧。

所述促动器支架4底座上开有2个光孔，预紧螺钉穿过这两个光孔，拧入框架组件2上的螺纹孔，将促动器支架4固定在框架组件2上。

所述促动器支架4头部矩形槽的侧壁和顶部各开有一个螺纹孔，预紧螺钉拧入侧壁螺纹孔实现对压电纳米促动器5的径向固定，预紧螺钉拧入顶部螺纹孔实现对压电纳米促动器5的轴向限位。

所述框架组件2的正面底部有12个凸台，用来实现激光倍频晶体元件1的底面定位。

所述晶体压板3与激光倍频晶体元件1的接触区域跟框架组件2正面底部的凸台错位形成杠杆，使得初始预紧力对晶体面形起到初步补偿作用，所述球形压头6与激光倍频晶体元件1的接触点同样跟框架组件2正面底部的凸台错位形成杠杆，实现对激光倍频晶体元件1面形的主动补偿和调控。

本发明还提供了所述激光倍频晶体主动光学夹持装置的装校方法，将仿真建模计算、初始装配预紧和主动光学调校串联起来，形成更合理、更精准、更便捷、更高效的闭环装校工艺流程。在满足iso14644-1规定的5级空气洁净要求的光学精密装配环境中，具体执行如下步骤：

步骤1：利用弹性力学基本理论建立所述激光倍频晶体元件的受力变形模型，并求解出保持结构稳定的初始预紧力/位移参数(晶体压板3施加预紧力，压电纳米促动器5施加微小位移)。

步骤2：将框架组件2固定，用真空吸盘阵列吸紧kdp激光倍频晶体正面边缘区域，将其精确装入框架组件2中并放置在所述框架组件2正面底部的凸台上。

步骤3：用预紧螺钉7将12块晶体压板3分别安装在所述框架组件正面上部的相应螺纹孔中，对晶体进行初步预紧，同时对晶体面形形成初步补偿。

步骤4：用预紧螺钉7将8个促动器支架4安装在所述框架组件正面上部的相应螺纹孔中。

步骤5：将8个压电纳米促动器5分别沿促动器支架4头部矩形槽装入8个促动器支架4中，用预紧螺钉7拧入所述矩形槽侧壁螺纹孔以实现对压电纳米促动器5的径向固定，后用预紧螺钉7拧入所述矩形槽顶部螺纹孔实现对压电纳米促动器5的轴向限位。

步骤6：将8个压电纳米促动器5与压电陶瓷控制器8连接，根据步骤1中计算得到的最优初始预紧位移值给每个压电纳米促动器5相应信号使其产生相应的初始预紧位移。

步骤7：将初步安装好的倍频组件转移至大口径激光干涉仪下，采用水平放置方式对晶体面形进行精密测量，获得在初始预紧状态下的晶体面形数据，并判断是否满足工艺要求，如果已经满足工艺要求，则完成对kdp激光倍频晶体1的装校工作。

步骤8：如果在初始预紧状态下测量得到的晶体面形超出允许误差范围，上位计算机以当前面形为基准重新计算每个压电纳米促动器5的位移调整量，再由压电陶瓷控制器8控制压电纳米促动器5产生相应大小的位移。

步骤9：自动迭代执行步骤7和步骤8，直至晶体面形满足夹持工艺要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

切实针对我国激光惯性约束聚变装置对激光倍频效率提出的更高要求，从改善kdp激光倍频晶体1面形精度的角度提出了一种基于主动光学控制原理的大径厚比kdp激光倍频晶体1夹持装置，在此基础上，提出了一套将仿真建模计算、初始装配预紧和主动光学调校相结合的、自动化程度更高的光学精密装配工艺方法。本发明能够有效解决当前kdp激光倍频晶体1纯机械式夹持结构导致的过度面形畸变、应力分布不均等难题，通过设计主动光学调控模块(压电纳米促动器5)，实现了：

一、能够精准调控施加在晶体表面的预紧位移(纳米级)，并有效改善晶体面形质量，保证更高的倍频转换效率。

二、能够根据当前面形状态实现全自动化的晶体面形主动调控，将仿真建模计算、初始装配预紧和主动光学调校相结合的闭环自动光学装配工艺大幅提高了大口径光学元件的面形调整效率和质量。

三、有效简化了晶体夹持装置的机械结构，减少了装置零件数量，大幅度缩短了装校时间，能够满足我国下一代激光惯性约束聚变装置的建设进度要求。

附图说明

图1是发明所涉kdp晶体主动光学夹持装置的装配结构图。

图2是发明所涉主动光学调控模块细节结构图。

图3是发明所涉全闭环大径厚比晶体装校工艺流程图

图4是实施案例中所涉kdp晶体原始面形图。

图5是实施案例中所涉kdp晶体经所述装校方法调整后的面形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种大径厚比kdp激光倍频晶体主动光学夹持装置，包括框架组件2、晶体压板3、促动器支架4、压电纳米促动器5、球形压头6、预紧螺钉7、压电陶瓷控制器8等。框架组件2为矩形框体，在四个侧面上共开有8个螺纹孔，用来实现夹持装置整体在终端光学组件中的安装和定位。在框架组件2的正面底部有12个凸台，用来实现激光倍频晶体元件1的底面定位。在框架组件2的正面上部，开有40个螺纹孔，其中24个用于安装条状结构的晶体压板3以实现激光倍频晶体元件1的初始预紧，另外16个用于安装促动器支架4作为进行晶体面形主动光学控制的基础。在每个晶体压板3上开有2个光孔，预紧螺钉7穿过这两个光孔，拧入框架组件2上的螺纹孔，使得晶体压板3可以实现对激光倍频晶体元件1的正面初始预紧。如图2，晶体压板3与激光倍频晶体元件1的接触区域跟框架组件2正面底部的凸台错位形成杠杆，使得初始预紧力对晶体面形起到初步补偿作用。在促动器支架4底座上开有2个光孔，预紧螺钉7穿过这两个光孔，拧入框架组件2上的螺纹孔，可以将促动器支架4固定在框架组件2上。在促动器支架4头部开有矩形槽，矩形槽侧壁和顶部各开有一个螺纹孔，压电纳米促动器5尾部可以卡入矩形槽中，将预紧螺钉7拧入侧壁螺纹孔可实现对压电纳米促动器5的径向固定，将预紧螺钉7拧入顶部螺纹孔可实现对压电纳米促动器5的轴向限位。压电纳米促动器5可沿自身轴向输出直线运动，在压电纳米促动器5头部输出端安装有球形压头6与激光倍频晶体元件1的正面直接接触，接触点同样跟框架组件2正面底部的凸台错位形成杠杆(如图2)，实现对激光倍频晶体元件1面形的主动补偿和调控。压电陶瓷控制器8可根据上位计算机的指令输出不同大小的电压驱动压电纳米促动器5产生相应大小的位移载荷施加到晶体表面。

本实施例中，激光倍频晶体元件1的主要尺寸为430mm×430mm×12mm，径厚比为36:1，材料为磷酸二氢钾(简称kdp)晶体，平均弹性模量约为2e5mpa，是一种质地软、极易发生变形的光学元件。框架组件2为刚度较大的不锈钢材料，主要尺寸公差优于±0.05mm，与晶体直接接触的正面底部凸台平面度公差优于±0.005mm。晶体压板3为铝合金材料，主要尺寸公差优于±0.05mm，与晶体接触面平面度公差优于±0.005mm。促动器支架4为铝合金材料，主要尺寸公差优于±0.05mm。压电纳米促动器5标称行程19μm，刚度60n/μm，标称推力1200n，拉力200n。压电陶瓷控制器8为九通道闭环控制器，可与上位计算机通讯，并能实时驱动8个压电纳米促动器5产生纳米量级分辨率的微小位移。此外，本发明中预紧螺钉7及全部螺纹孔，均为细牙精制，进行检测后螺纹导程(螺距)误差应小于0.02mm。

在满足iso14644-1规定的5级空气洁净要求的光学精密装配环境中，基于上述大径厚比kdp激光倍频晶体主动光学夹持装置，将仿真建模计算、机械装配预紧和自动光学调校串联成闭环装配工艺链，形成更合理、更精准、更便捷、更高效的icf大径厚比光学元件主动光学控制方法。如图3所示，具体执行如下步骤：

步骤1：利用弹性力学基本理论和有限元方法，在ansys软件中建立基于主动光学夹持装置的径厚比为36:1的kdp激光倍频晶体受力变形模型，并求解出给定外部激励(包括机械振动和热冲击)下能够保持结构稳定的初始预紧力/位移参数(晶体压板3施加预紧力，压电纳米促动器5施加微小位移)。

步骤2：将框架组件2固定在气浮光学平台上，用真空吸盘阵列吸紧kdp激光倍频晶体正面边缘区域，将其精确装入框架组件2中并放置在框架组件2正面底部的凸台上。

步骤3：用预紧螺钉7将12块晶体压板3分别安装在框架组件正面上部的相应螺纹孔中，对晶体进行初步预紧，同时对晶体面形形成初步补偿。

步骤4：用预紧螺钉7将8个促动器支架4安装在框架组件正面上部的相应螺纹孔中。

步骤5：将8个压电纳米促动器5分别沿促动器支架4头部矩形槽装入8个促动器支架4中，用预紧螺钉7拧入矩形槽侧壁螺纹孔以实现对压电纳米促动器5的径向固定，后用预紧螺钉7拧入矩形槽顶部螺纹孔实现对压电纳米促动器5的轴向限位。

步骤6：将8个压电纳米促动器5与压电陶瓷控制器8连接，根据步骤1中计算得到的最优初始预紧位移值给每个压电纳米促动器5相应信号使其产生相应的初始预紧位移。

步骤7：将初步安装好的倍频组件转移至φ600mm大口径近红外波长移相干涉仪上，采用水平放置方式对晶体面形进行精密测量，获得在初始预紧状态下的晶体面形数据，并判断是否满足工艺要求，如果已经满足工艺要求，则完成对kdp激光倍频晶体1的装校工作。

步骤8：如果在初始预紧状态下测量得到的晶体面形超出允许误差范围，上位计算机以当前面形为基准重新计算每个压电纳米促动器5的位移调整量，再由压电陶瓷控制器8控制压电纳米促动器5产生步长不大于2nm的步进式位移量直至达到位移调整量值。

步骤9：自动迭代执行步骤7和步骤8，直至晶体面形满足夹持工艺要求。

如图4、5所示，未进行主动光学精密调整前的面形峰谷(pv)值为888nm，采用本发明进行主动光学精密调整后的面形峰谷(pv)值仅为471nm，与当前采用的机械指片式kdp晶体夹持装置相比，本发明具有的优点总结如下：

一、可实现晶体面形的在线主动调节，可以极大地优化kdp激光倍频晶体1的倍频转换效率，有利于提高激光的光束质量。

二、压电纳米促动器5的使用显著提高了装配预紧力的加载精度，有利于改善kdp晶体内部的应力分布状态，从而减少不良双折射的产生。

三、全闭环超精密装配工艺流程在提高晶体装配质量精度的同时还有效减少了装配耗时。