用于多光束精密聚焦的大型過(guò)渡錐體設(shè)計(jì)

馬連英，費(fèi)國(guó)強(qiáng)，張永生，王大輝

(西北核技術(shù)研究所激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710024)

摘要：根據(jù)高功率準(zhǔn)分子激光打靶系統(tǒng)的要求，確定了18束激光的空間排布方式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了用于安裝聚焦透鏡的過(guò)渡錐體。使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)過(guò)渡錐體在真空狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了模擬計(jì)算，根據(jù)結(jié)果計(jì)算出了理想透鏡焦點(diǎn)的偏移量，在此基礎(chǔ)上對(duì)過(guò)渡錐體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了過(guò)渡錐體的獨(dú)特支撐結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)可以對(duì)過(guò)渡錐體進(jìn)行六維調(diào)整并實(shí)現(xiàn)與靶室精密對(duì)接。實(shí)際物理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，該過(guò)渡錐體調(diào)整方式設(shè)計(jì)合理、調(diào)整簡(jiǎn)單方便，真空條件下透鏡焦點(diǎn)偏移量小于0.5 mm，完全滿足多光束激光打靶物理實(shí)驗(yàn)的要求。

關(guān)鍵詞:準(zhǔn)分子激光過(guò)渡錐體多光束聚焦

中圖分類號(hào)：TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：馬連英(1967-)，女，陜西三原人，碩士，副研究員，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用研究。

收稿日期：2015-03-09

Design of large-scale cone parts applied to multi-beam focusing

MA Lianying，F(xiàn)EI Guoqiang，ZHANG Yongsheng，WANG Dahui

Abstract:Based on the physical requirements of high power excimer laser targeting system, the spatial arrangement of 18 laser beams was designed and then the cone part was designed on which focusing lens are mounted. The finite element software ANSYS was used to analyse the deformation of the cone part under vacuum, then the offsets of lens focus were calculated, and the structure of cone part was designed optimally. The special supporting structure was designed, which makes it feasible to adjusting cone part in six dimensions. The physical experiment proves that the cone part’s adjusting style is designed simple and adjustment of the cone part is convenient and simple, and the offsets of 18 lens focuses are less than 0.5 mm under vacuum, which satisfy the optical experiment’s physical requirements．

Keywords:excimer；laser；transition-cone；multi-beam；focusing

0引言

1.激光束；2.反射陣列1靶室；3.反射陣列2；4.過(guò)渡錐體；5.透鏡；6.靶室。 圖1　透射式激光打靶示意圖

在某大型高功率準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)中[1]，采用MOPA技術(shù)和角多路技術(shù)，利用五臺(tái)激光放大器對(duì)18束激光進(jìn)行功率放大，最終通過(guò)透射式激光打靶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多束激光同時(shí)聚焦于靶心處，從而在靶面上獲得很高的激光功率。透射式激光打靶系統(tǒng)如圖1所示由兩組反射鏡陣列、過(guò)渡錐體和靶室組成。其中，兩組反射鏡陣列上各安裝了18個(gè)反射鏡，用于將光學(xué)系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)功率放大的18束脈沖激光引導(dǎo)至靶心，經(jīng)過(guò)過(guò)渡錐體上安裝的與18束激光相對(duì)應(yīng)的透鏡聚焦于靶心處。根據(jù)準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)，激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后焦點(diǎn)處光斑大約為500 μm，要求18束激光的聚焦光斑應(yīng)重疊相交于以靶心為中心的SΦ1 mm球內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)過(guò)渡錐體的精度提出了很高的要求——過(guò)渡錐體的精度需要借助理想透鏡(焦距沒(méi)有誤差)來(lái)衡量，即要求18個(gè)理想透鏡安裝到過(guò)渡錐體上之后，其焦點(diǎn)全部位于靶心SΦ1 mm小球內(nèi)。作為透射式激光打靶系統(tǒng)的重要組成部分，過(guò)渡錐體對(duì)實(shí)現(xiàn)多光束精密聚焦至關(guān)重要。下面詳細(xì)介紹過(guò)渡錐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在下文中統(tǒng)一將過(guò)渡錐體稱為錐體；后面提到的透鏡均為理想透鏡。

1打靶系統(tǒng)中激光束的空間排布方式設(shè)計(jì)

圖2　18束激光空間排布方式

進(jìn)行激光束的空間排布方式設(shè)計(jì)要綜合考慮到聚焦透鏡焦距、激光束直徑和靶室上與過(guò)渡錐體對(duì)接的法蘭幾何尺寸限制。根據(jù)高功率準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的相關(guān)物理計(jì)算，確定了18個(gè)聚焦透鏡的焦距均1864.5 mm。同時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果表明，激光束經(jīng)過(guò)五臺(tái)激光器的功率放大和光學(xué)傳輸系統(tǒng)后，到達(dá)激光打靶系統(tǒng)時(shí)激光束的直徑為Φ95 mm，這樣最終確定透鏡直徑為120 mm，去除壓邊外實(shí)際通光口徑為100 mm。球形靶室的直徑為Φ1320 mm，過(guò)渡錐體連接在靶室上一個(gè)通孔直徑為Φ300 mm的法蘭上。考慮以上幾個(gè)重要的限制因素，經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬，最終確定，光束采取緊湊的軸對(duì)稱分布方式，18束激光分為三組，光軸分別均布在圓錐角為10.8°、18.8°、21.6°的三個(gè)圓錐面上，圓錐面的頂點(diǎn)重合于靶室靶心處，不同圓錐面上的光軸相互錯(cuò)開(kāi)分布。最終得到了如圖2所示的光束空間排布方案。

2過(guò)渡錐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1過(guò)渡錐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)已確定的光束排布方式，可以確定過(guò)渡錐體大端直徑約為Φ900 mm，小端通孔約為Φ400 mm。過(guò)渡錐體屬于中真空部件，要求內(nèi)部焊接必須為連續(xù)焊，外部為加強(qiáng)焊?？紤]到過(guò)渡錐體大端面上分布了18個(gè)用于安裝透鏡的法蘭，且法蘭之間間距較小，為了便于法蘭的內(nèi)部焊接，錐體采取如圖3所示的分體式結(jié)構(gòu)，即由錐形筒體和大端法蘭組成，兩者通過(guò)螺釘連接成為一體。從制造成本、焊接和加工等幾個(gè)方面綜合考慮，大端法蘭采取平板圓盤(pán)型式要優(yōu)于球冠型式。錐體材料使用與靶室材料相同的1Cr18Ni9Ti不銹鋼，為了保證錐體整體結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性，筒體和大端法蘭使用的材料都偏厚，具體材料厚度通過(guò)下面的錐體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析來(lái)確定。

根據(jù)前述光束排布方式，錐體上用于安裝透鏡的法蘭之間間隙很小，約為8 mm左右，所以無(wú)法設(shè)計(jì)專用機(jī)構(gòu)對(duì)透鏡姿態(tài)進(jìn)行精密調(diào)整，這樣就對(duì)錐體加工精度和安裝精度提出了很高的要求?；谏鲜鲈?，錐體與靶室采取柔性連接方式即波紋管連接方式。打靶系統(tǒng)工作時(shí)，靶室和錐體內(nèi)部處于真空狀態(tài)，為防止波紋管表面的大氣壓力轉(zhuǎn)化為對(duì)錐體的較大水平拉力，在波紋管上增加了如圖3所示支撐桿，以保證錐體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1.錐形筒體；2.大端法蘭；3.支撐桿。 圖3　錐體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2錐體結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析

如前所述，過(guò)渡錐體工作時(shí)內(nèi)部處于真空狀態(tài)，而錐體外表面承受的大氣壓力會(huì)使錐體產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響到多光束的聚焦精度，因此有必要分析錐體在真空狀態(tài)下的變形情況。實(shí)際上，影響多光束聚焦精度的因素還應(yīng)考慮到錐體的加工精度。錐體的機(jī)械加工擬使用高精度五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控中心，其主軸擺動(dòng)定位精度達(dá)到0.001°，因此由加工誤差導(dǎo)致的聚焦誤差很小，可以不予考慮。

錐體在真空狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生變形，對(duì)單個(gè)安裝透鏡的小法蘭而言，這種變形會(huì)使其上透鏡的安裝面發(fā)生變化。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)圖3所示的空間坐標(biāo)可以看出，X方向的變形會(huì)使透鏡安裝面產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致透鏡中心軸發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)并使透鏡的焦點(diǎn)位置發(fā)生變化，而Y和Z方向的變形只會(huì)改變透鏡安裝面的圓度，并不會(huì)使透鏡焦點(diǎn)發(fā)生偏移。

圖4　透鏡焦點(diǎn)偏移量 計(jì)算示意圖

下面根據(jù)X方向的變形計(jì)算透鏡焦點(diǎn)(假定為理想透鏡，不考慮其焦距誤差)位置的變化情況。偏轉(zhuǎn)角度的計(jì)算如圖4所示。

上圖中，R為透鏡焦距，R=1864.5 mm，D為透鏡安裝面直徑，D=120 mm，O點(diǎn)為透鏡偏轉(zhuǎn)前焦點(diǎn)，O′為偏轉(zhuǎn)后焦點(diǎn)。由于發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度很小，可以近似得到：

Δl=2Δx·R/D

下面使用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行變形分析。根據(jù)錐體的安裝狀態(tài)，選擇將錐體與支撐組合后進(jìn)行求解。錐體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以使用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，并對(duì)不影響計(jì)算結(jié)果的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，之后導(dǎo)入ANSYS程序中。對(duì)于錐體這種復(fù)雜且形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，使用具有二次位移型函數(shù)的SOLID92[2]單元進(jìn)行計(jì)算，采用自由網(wǎng)格劃分實(shí)體模型。對(duì)錐體的小端法蘭端面施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向的約束，對(duì)支撐底面施加Y方向的約束，對(duì)錐體側(cè)面和大端法蘭端面及18個(gè)小法蘭端面施加一個(gè)大氣壓力，根據(jù)面積比例將透鏡表面承受的大氣壓力折算到透鏡安裝面即為小法蘭臺(tái)階面上，為3.27個(gè)大氣壓力。材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，比重7.8 g/cm3[3]。在以上邊界條件下，首先選擇錐體筒體壁厚、大端法蘭壁厚分別為12 mm、28 mm進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，得到如圖5所示的網(wǎng)格劃分結(jié)果，通過(guò)模擬計(jì)算得到如圖6所示錐體在三個(gè)方向上的變形圖。

在圖6(a)中，錐體在X方向的位移等值線分布近似一組同心圓，因此可以認(rèn)為錐體上每個(gè)透鏡安裝面都以其中心點(diǎn)處的切線為軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖6(b)和6(c)中顯示錐體Y和Z方向的變形量都很小(～10-4mm)，可以認(rèn)為透鏡安裝面的中心點(diǎn)(也是透鏡中心軸與安裝面的交點(diǎn))沒(méi)有移動(dòng)。

對(duì)圖6(a)進(jìn)行判讀，直接讀取每個(gè)透鏡安裝面沿錐體徑向最大和最小位移，兩者相減之后除以2即得到Δx，將其帶入公式(1)中就可以計(jì)算出透鏡焦點(diǎn)的偏移量Δl。計(jì)算結(jié)果如表1所示，表中透鏡的編號(hào)對(duì)照?qǐng)D5按照從左至右、從上至下的順序進(jìn)行編號(hào)。

圖6　過(guò)渡錐體與上支撐在真空條件下變形圖

表1

錐體上18個(gè)透鏡呈軸向?qū)ΨQ分布，欲使其焦點(diǎn)位于靶心SΦ1 mm小球內(nèi)，則每一個(gè)透鏡焦點(diǎn)的偏移量應(yīng)小于0.5 mm。據(jù)此來(lái)看表1中的數(shù)據(jù)，透鏡焦點(diǎn)的偏移量均超出了SΦ1 mm的要求。因此需要對(duì)錐體的筒體壁厚和大端法蘭壁厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。大量的模擬計(jì)算表明，增加筒體壁厚和大端法蘭壁厚并不能顯著減小透鏡焦點(diǎn)的偏移量，例如當(dāng)大端法蘭壁厚增加到40 mm時(shí)依然不能滿足要求。根據(jù)錐體大端法蘭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嘗試在每列小法蘭之間增加加強(qiáng)筋，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，此種方法可有效減小透鏡焦點(diǎn)的偏移量。最終確定選用的筒體壁厚和大端法蘭壁厚分別為12 mm、32 mm，加強(qiáng)筋截面尺寸為30 mm×80 mm，表2給出了模擬計(jì)算結(jié)果，可以看出處于真空狀態(tài)的錐體上透鏡焦點(diǎn)均位于SΦ0.8 mm小球內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖7　過(guò)渡錐體與上支撐在真空條件下變形圖

表2

2.3錐體的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)錐體與靶室和反射陣列2的精密對(duì)接，安裝錐體時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行六維調(diào)整，為滿足這個(gè)要求，確定錐體的支撐結(jié)構(gòu)如圖8所示采取上下分體框架式結(jié)構(gòu)，即由上支撐和下支撐兩部分組成，兩者之間通過(guò)四個(gè)螺桿連接。調(diào)整螺桿上螺母的位置即可調(diào)整錐體的高低。螺桿與下支撐的通孔之間間隙較小(1 mm)；螺桿與上支撐的通孔之間留有較大間隙，可以實(shí)現(xiàn)錐體在X和Z方向分別在±10 mm和±5 mm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，沿X方向具有較大調(diào)整范圍是為了方便波紋管的安裝與拆卸。

錐體的上支撐如圖8所示采取三板支撐方式。其中前后板上分別加工比錐形筒體大端小端外徑稍大的圓弧臺(tái)階面，錐形筒體的大端法蘭和小端法蘭分別放置在前后板的圓弧臺(tái)階面上。上支撐的中間板與錐形筒體上焊接的連接板通過(guò)螺釘固定在一起。上支撐上所有連接孔均為弧形孔，以實(shí)現(xiàn)錐體繞X軸小角度旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

1.前支撐板；2.后支撐板；3.螺桿；4.弧面板。 圖8　錐體支撐結(jié)構(gòu)

為了保證錐體具有最大的調(diào)整范圍，要求下支撐與靶室之間具有較嚴(yán)格的相對(duì)位置精度，因此在結(jié)構(gòu)上要確保下支撐本身在安裝時(shí)可以進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)整。下支撐采用框架式結(jié)構(gòu)，具體的結(jié)構(gòu)需根據(jù)打靶系統(tǒng)所處實(shí)驗(yàn)室的具體條件而定。球形靶室的四個(gè)圓柱支撐沉入地面以下2.5 m處，呈四棱臺(tái)型式，靶室周圍3 m×3 m區(qū)域內(nèi)的地面上無(wú)法放置任何物體。經(jīng)過(guò)分析，采取如圖8所示的支撐方式即下支撐的兩個(gè)后支撐板置于靶室支撐的橫梁上，兩個(gè)前支撐板則直接固定于地面上。經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)量，橫梁有一定的傾斜。為了消除橫梁的傾斜給安裝帶來(lái)的不利影響，決定在下支撐的后支撐板上加工通槽，槽內(nèi)放置弧面板，其圓弧面的半徑稍大于橫梁的半徑，且弧面板的寬度小于支撐板的槽寬，這樣下支撐就可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)和平移。

目前該過(guò)渡錐體已經(jīng)安裝到位并投入使用。在安裝過(guò)程中，借助特制的調(diào)整工裝，在較短時(shí)間內(nèi)完成了對(duì)錐體的安裝與調(diào)整。使用平行光管[4]產(chǎn)生的準(zhǔn)直光束代替真實(shí)脈沖激光束對(duì)真空條件下的透鏡焦點(diǎn)偏移量進(jìn)行了測(cè)量。在靶心處放置一個(gè)CCD相機(jī)，記錄下錐體抽真空前后的光斑尺寸，將兩者對(duì)比就可以計(jì)算出透鏡焦點(diǎn)的偏移量。經(jīng)過(guò)測(cè)量，透鏡焦點(diǎn)的偏移量均小于0.5 mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3總結(jié)

根據(jù)高功率準(zhǔn)分子激光打靶系統(tǒng)對(duì)過(guò)渡錐體提出的技術(shù)要求，分析了過(guò)渡錐體在真空條件下的結(jié)構(gòu)變形對(duì)透鏡焦點(diǎn)位置的影響，使用有限元軟件ANSYS對(duì)過(guò)渡錐體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上完成了對(duì)錐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。錐體的支撐結(jié)構(gòu)采用上下分體框架式結(jié)構(gòu)，可對(duì)錐體進(jìn)行六維調(diào)整，采用柔性連接方式與靶室精密對(duì)接。使用CCD相機(jī)對(duì)真空狀態(tài)下透鏡焦點(diǎn)的偏移量進(jìn)行了模擬測(cè)量，結(jié)果表明實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，完全達(dá)到錐體的技術(shù)指標(biāo)，可以滿足多光束打靶物理實(shí)驗(yàn)的要求。

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