用于多光束精密聚焦的大型过渡锥体设计

2016-01-16马连英,费国强,张永生等

现代机械 2015年5期

用于多光束精密聚焦的大型过渡锥体设计

马连英，费国强，张永生，王大辉

(西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西西安710024)

摘要：根据高功率准分子激光打靶系统的要求，确定了18束激光的空间排布方式，在此基础上设计了用于安装聚焦透镜的过渡锥体。使用有限元分析软件ANSYS对过渡锥体在真空状态下的结构变形进行了模拟计算，根据结果计算出了理想透镜焦点的偏移量，在此基础上对过渡锥体进行了结构优化设计。设计了过渡锥体的独特支撑结构，采用该结构可以对过渡锥体进行六维调整并实现与靶室精密对接。实际物理验证实验表明，该过渡锥体调整方式设计合理、调整简单方便，真空条件下透镜焦点偏移量小于0.5 mm，完全满足多光束激光打靶物理实验的要求。

关键词:准分子激光过渡锥体多光束聚焦

中图分类号：TH16文献标识码：A

作者简介：马连英(1967-)，女，陕西三原人，硕士，副研究员，主要从事激光技术及应用研究。

收稿日期：2015-03-09

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

MA Lianying，FEI 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.反射阵列1靶室；3.反射阵列2；4.过渡锥体；5.透镜；6.靶室。图1　透射式激光打靶示意图

在某大型高功率准分子激光系统中[1]，采用MOPA技术和角多路技术，利用五台激光放大器对18束激光进行功率放大，最终通过透射式激光打靶系统，实现多束激光同时聚焦于靶心处，从而在靶面上获得很高的激光功率。透射式激光打靶系统如图1所示由两组反射镜阵列、过渡锥体和靶室组成。其中，两组反射镜阵列上各安装了18个反射镜，用于将光学系统中经过功率放大的18束脉冲激光引导至靶心，经过过渡锥体上安装的与18束激光相对应的透镜聚焦于靶心处。根据准分子激光系统的物理设计，激光经过聚焦透镜后焦点处光斑大约为500 μm，要求18束激光的聚焦光斑应重叠相交于以靶心为中心的SΦ1 mm球内。为了实现这个技术指标，对过渡锥体的精度提出了很高的要求——过渡锥体的精度需要借助理想透镜(焦距没有误差)来衡量，即要求18个理想透镜安装到过渡锥体上之后，其焦点全部位于靶心SΦ1 mm小球内。作为透射式激光打靶系统的重要组成部分，过渡锥体对实现多光束精密聚焦至关重要。下面详细介绍过渡锥体的结构设计。为简便起见，在下文中统一将过渡锥体称为锥体；后面提到的透镜均为理想透镜。

1打靶系统中激光束的空间排布方式设计

图2　18束激光空间排布方式

进行激光束的空间排布方式设计要综合考虑到聚焦透镜焦距、激光束直径和靶室上与过渡锥体对接的法兰几何尺寸限制。根据高功率准分子激光系统的相关物理计算，确定了18个聚焦透镜的焦距均1864.5 mm。同时，理论计算结果表明，激光束经过五台激光器的功率放大和光学传输系统后，到达激光打靶系统时激光束的直径为Φ95 mm，这样最终确定透镜直径为120 mm，去除压边外实际通光口径为100 mm。球形靶室的直径为Φ1320 mm，过渡锥体连接在靶室上一个通孔直径为Φ300 mm的法兰上。考虑以上几个重要的限制因素，经过反复模拟，最终确定，光束采取紧凑的轴对称分布方式，18束激光分为三组，光轴分别均布在圆锥角为10.8°、18.8°、21.6°的三个圆锥面上，圆锥面的顶点重合于靶室靶心处，不同圆锥面上的光轴相互错开分布。最终得到了如图2所示的光束空间排布方案。

2过渡锥体结构设计

2.1过渡锥体的结构设计

根据已确定的光束排布方式，可以确定过渡锥体大端直径约为Φ900 mm，小端通孔约为Φ400 mm。过渡锥体属于中真空部件，要求内部焊接必须为连续焊，外部为加强焊。考虑到过渡锥体大端面上分布了18个用于安装透镜的法兰，且法兰之间间距较小，为了便于法兰的内部焊接，锥体采取如图3所示的分体式结构，即由锥形筒体和大端法兰组成，两者通过螺钉连接成为一体。从制造成本、焊接和加工等几个方面综合考虑，大端法兰采取平板圆盘型式要优于球冠型式。锥体材料使用与靶室材料相同的1Cr18Ni9Ti不锈钢，为了保证锥体整体结构的高稳定性，筒体和大端法兰使用的材料都偏厚，具体材料厚度通过下面的锥体结构力学分析来确定。

根据前述光束排布方式，锥体上用于安装透镜的法兰之间间隙很小，约为8 mm左右，所以无法设计专用机构对透镜姿态进行精密调整，这样就对锥体加工精度和安装精度提出了很高的要求。基于上述原因，锥体与靶室采取柔性连接方式即波纹管连接方式。打靶系统工作时，靶室和锥体内部处于真空状态，为防止波纹管表面的大气压力转化为对锥体的较大水平拉力，在波纹管上增加了如图3所示支撑杆，以保证锥体的结构稳定。

1.锥形筒体；2.大端法兰；3.支撑杆。图3　锥体结构示意图

2.2锥体结构力学有限元分析

如前所述，过渡锥体工作时内部处于真空状态，而锥体外表面承受的大气压力会使锥体产生变形，进而影响到多光束的聚焦精度，因此有必要分析锥体在真空状态下的变形情况。实际上，影响多光束聚焦精度的因素还应考虑到锥体的加工精度。锥体的机械加工拟使用高精度五轴联动数控中心，其主轴摆动定位精度达到0.001°，因此由加工误差导致的聚焦误差很小，可以不予考虑。

锥体在真空状态下会产生变形，对单个安装透镜的小法兰而言，这种变形会使其上透镜的安装面发生变化。具体来说，根据图3所示的空间坐标可以看出，X方向的变形会使透镜安装面产生一定的偏转，进而会导致透镜中心轴发生一定的转动并使透镜的焦点位置发生变化，而Y和Z方向的变形只会改变透镜安装面的圆度，并不会使透镜焦点发生偏移。

图4　透镜焦点偏移量计算示意图

下面根据X方向的变形计算透镜焦点(假定为理想透镜，不考虑其焦距误差)位置的变化情况。偏转角度的计算如图4所示。

上图中，R为透镜焦距，R=1864.5 mm，D为透镜安装面直径，D=120 mm，O点为透镜偏转前焦点，O′为偏转后焦点。由于发生偏转的角度很小，可以近似得到：

Δl=2Δx·R/D

下面使用有限元分析软件ANSYS进行变形分析。根据锥体的安装状态，选择将锥体与支撑组合后进行求解。锥体结构较为复杂，所以使用SolidWorks软件进行建模，并对不影响计算结果的部分结构进行简化处理，之后导入ANSYS程序中。对于锥体这种复杂且形状不规则的结构，使用具有二次位移型函数的SOLID92[2]单元进行计算，采用自由网格划分实体模型。对锥体的小端法兰端面施加X、Y、Z三个方向的约束，对支撑底面施加Y方向的约束，对锥体侧面和大端法兰端面及18个小法兰端面施加一个大气压力，根据面积比例将透镜表面承受的大气压力折算到透镜安装面即为小法兰台阶面上，为3.27个大气压力。材料的弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，比重7.8 g/cm3[3]。在以上边界条件下，首先选择锥体筒体壁厚、大端法兰壁厚分别为12 mm、28 mm进行建模并划分网格，得到如图5所示的网格划分结果，通过模拟计算得到如图6所示锥体在三个方向上的变形图。

在图6(a)中，锥体在X方向的位移等值线分布近似一组同心圆，因此可以认为锥体上每个透镜安装面都以其中心点处的切线为轴发生偏转。图6(b)和6(c)中显示锥体Y和Z方向的变形量都很小(～10-4mm)，可以认为透镜安装面的中心点(也是透镜中心轴与安装面的交点)没有移动。

对图6(a)进行判读，直接读取每个透镜安装面沿锥体径向最大和最小位移，两者相减之后除以2即得到Δx，将其带入公式(1)中就可以计算出透镜焦点的偏移量Δl。计算结果如表1所示，表中透镜的编号对照图5按照从左至右、从上至下的顺序进行编号。

图6　过渡锥体与上支撑在真空条件下变形图

表1

锥体上18个透镜呈轴向对称分布，欲使其焦点位于靶心SΦ1 mm小球内，则每一个透镜焦点的偏移量应小于0.5 mm。据此来看表1中的数据，透镜焦点的偏移量均超出了SΦ1 mm的要求。因此需要对锥体的筒体壁厚和大端法兰壁厚进行优化设计。大量的模拟计算表明，增加筒体壁厚和大端法兰壁厚并不能显著减小透镜焦点的偏移量，例如当大端法兰壁厚增加到40 mm时依然不能满足要求。根据锥体大端法兰的结构特点，尝试在每列小法兰之间增加加强筋，经过计算发现，此种方法可有效减小透镜焦点的偏移量。最终确定选用的筒体壁厚和大端法兰壁厚分别为12 mm、32 mm，加强筋截面尺寸为30 mm×80 mm，表2给出了模拟计算结果，可以看出处于真空状态的锥体上透镜焦点均位于SΦ0.8 mm小球内，达到了设计要求。

图7　过渡锥体与上支撑在真空条件下变形图

表2

2.3锥体的支撑结构设计

要实现锥体与靶室和反射阵列2的精密对接，安装锥体时需要对其进行六维调整，为满足这个要求，确定锥体的支撑结构如图8所示采取上下分体框架式结构，即由上支撑和下支撑两部分组成，两者之间通过四个螺杆连接。调整螺杆上螺母的位置即可调整锥体的高低。螺杆与下支撑的通孔之间间隙较小(1 mm)；螺杆与上支撑的通孔之间留有较大间隙，可以实现锥体在X和Z方向分别在±10 mm和±5 mm范围内进行调整，沿X方向具有较大调整范围是为了方便波纹管的安装与拆卸。

锥体的上支撑如图8所示采取三板支撑方式。其中前后板上分别加工比锥形筒体大端小端外径稍大的圆弧台阶面，锥形筒体的大端法兰和小端法兰分别放置在前后板的圆弧台阶面上。上支撑的中间板与锥形筒体上焊接的连接板通过螺钉固定在一起。上支撑上所有连接孔均为弧形孔，以实现锥体绕X轴小角度旋转调整。

1.前支撑板；2.后支撑板；3.螺杆；4.弧面板。图8　锥体支撑结构

为了保证锥体具有最大的调整范围，要求下支撑与靶室之间具有较严格的相对位置精度，因此在结构上要确保下支撑本身在安装时可以进行一定范围内的调整。下支撑采用框架式结构，具体的结构需根据打靶系统所处实验室的具体条件而定。球形靶室的四个圆柱支撑沉入地面以下2.5 m处，呈四棱台型式，靶室周围3 m×3 m区域内的地面上无法放置任何物体。经过分析，采取如图8所示的支撑方式即下支撑的两个后支撑板置于靶室支撑的横梁上，两个前支撑板则直接固定于地面上。经过实际的测量，横梁有一定的倾斜。为了消除横梁的倾斜给安装带来的不利影响，决定在下支撑的后支撑板上加工通槽，槽内放置弧面板，其圆弧面的半径稍大于横梁的半径，且弧面板的宽度小于支撑板的槽宽，这样下支撑就可以进行适当的转动和平移。

目前该过渡锥体已经安装到位并投入使用。在安装过程中，借助特制的调整工装，在较短时间内完成了对锥体的安装与调整。使用平行光管[4]产生的准直光束代替真实脉冲激光束对真空条件下的透镜焦点偏移量进行了测量。在靶心处放置一个CCD相机，记录下锥体抽真空前后的光斑尺寸，将两者对比就可以计算出透镜焦点的偏移量。经过测量，透镜焦点的偏移量均小于0.5 mm，达到了设计指标。

3总结

根据高功率准分子激光打靶系统对过渡锥体提出的技术要求，分析了过渡锥体在真空条件下的结构变形对透镜焦点位置的影响，使用有限元软件ANSYS对过渡锥体进行了结构力学分析，在此基础上完成了对锥体结构的优化设计。锥体的支撑结构采用上下分体框架式结构，可对锥体进行六维调整，采用柔性连接方式与靶室精密对接。使用CCD相机对真空状态下透镜焦点的偏移量进行了模拟测量，结果表明实测结果与模拟计算结果基本一致，完全达到锥体的技术指标，可以满足多光束打靶物理实验的要求。