实验室大口径反射镜面形检测的质量控制

2016-12-20易聪之全旭松

设备管理与维修 2016年11期

关键词：面形反射镜口径

易聪之，全旭松

（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900）

实验室大口径反射镜面形检测的质量控制

易聪之，全旭松

（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900）

神光-Ⅲ主机装置中大口径光学元件的面形检测的质量控制对激光打靶精度有直接的影响。基于近红外大口径相移平面干涉仪测量反射镜面形为探讨对象，阐述实验室反射镜面形检测过程中的实验室环境控制、人员控制、面形检测仪器设备的使用、校准及维护、光学元件反射镜后期质量控制等因素，并分析各因素对检测数据的精确性、可靠性的影响，为后续光学元件面形检测提供借鉴与参考。

大口径反射镜；面形检测；质量控制

0 前言

在神光-Ⅲ主机装置中，由于每束光路都需经过多块反射镜的反射，大口径反射镜作为光传输重要元器件，其面形控制对光束质量而言非常重要。主机装置中共有276块反射镜，它们的面形畸变将严重影响高效3倍频和焦斑形态，因此，对反射镜面形进行检测与控制是极为重要的。常用的近红外大口径相移平面干涉仪用于测量高精度元件透（反）射面形，具有功能强大的数据处理软件，包括峰谷值PV、均方根RMS、Zemike系统等，可分析二维和三维波面图形等数据图像，是任何测量面形仪器都无法取代的。在测量面形数据分析检测过程中，实验室的环境控制、现场操作人员、面形检测仪器设备性能、反射镜光学元件后期质量控制等4大因素会影响检测结果，如图1所示。其中任何步骤存在问题都可能对面形测量数据产生影响，从而导致测量结果产生误差［2］。质量控制是质量保证的重要组成部分［5］，如果质量保证不了，测量的数据就无利用价值，就不能确保测量数据的真实性、可靠性和可比性。

图1 影响面形数据测量结果的因素

1 实验室的控制

1.1 百级实验室换气次数的控制

神光-Ⅲ主机装置精密装校实验室的空气洁净度要求为100级，应对检测光学元件面形的环境采取实时监控，并做好相应的检测记录。而洁净度的保证是通过增大换气次数来完成的，洁净级别越高，其换气次数越多，如10万级要求换气次数应≥15次/h，而100级则要求换气次数达360次/h［1］。然而在这样的百级环境下进行面形测量分析会产生很大的浮动偏差，峰谷值PV浮动偏差为50 nm，造成面形测量结果不准确。因此解决百级实验室的换气次数是当前刻不容缓的问题。应在保证洁净度要求的前提下，适当减少百级实验室的换气次数，以保证测量面形数据的准确性。在检测光学元件面形的环境中内应保证充足的能源、采光、采暖、通风等条件，从而有利于保证检测工作质量。

1.2 湿度的控制

存放在百级实验室的大口径反射镜光学元件的湿度应＜50%，如果湿度偏高时，光学元件大口径反射镜局部表面就会出现少量的麻点、霉斑等，可导致光学元件大口径反射镜表面质量和光学性能的降低。

1.3 温度的控制

实验室和待测大口径反射镜元件的温差直接影响面形测试结果，导致面形小角度漂移，存在一定的检测误差，可导致系统连接CCD图像不清晰，影响测试面形的质量。测量的数据不准确，会给测量工作带来很多不必要的麻烦，所以被接收的测试元件大口径反射镜需在百级实验室中至少放置24 h，以降低实验室和待测元件之间的温差，从而获得较为准确的结果。实验的环境温度应保持在23±1℃。

2 人员的控制

2.1 人员数量的控制

为了更精准地得到面形分析测量值，选用近红外大口径相移平面干涉仪。这是一台极为精密的仪器，测量的环境条件也十分苛刻，检测面形数据时人员在仪器周围的走动，或风淋门开启、关闭都会对测量面形数值有很大的影响。只有控制好外部条件，才能更有利于获得接近真实值的测量值。在进入百级实验室环境内测量面形的工作人员最好控制在5～6个。

2.2 人员的培训

检测结果是通过检测操作人员获得的，检测人员的技能水平、对检测标准和对设备仪器操作流程的理解及掌握程度，都直接影响检测结果的准确性［4］，因此，对于不同的设备仪器，操作人员必须接受上岗前的培训。对设备的理论基础、内部结构的布局进行了解和认识，以便更好地掌握设备仪器的使用安全操作流程。现场检测人员可通过理论与实操相结合的方式进行考试，以取得相应的上岗设备操作证。

2.3 人员检测

检测数据的好坏是影响测量面形结果的准确性和真实性的第一因素［2］，这对工作人员知悉测量仪器的工作性能和掌握技术操作能力，提出了更高的要求。做好相应的数据记录，整理与核对检测面形数据等，是非常必要的。

3 检测面形仪器设备性能

3.1 设备使用

实验室的操作人员在使用仪器设备之前，必须接受专业人员的安全操作培训，掌握设备仪器的工作原理和工作性能，经过考核后取得相应的上岗操作证。测量结束后，首先做好运行测量仪器设备的记录，包括测量的时间、测量工作环境、工作内容、运行状态、操作人员等内容；其次要做好工作现场的清理工作，关闭测量仪器设备的电源、气源及水源，整理测量仪器设备的使用工具并将运行记录本摆放整齐；最后清理设备表面的灰尘。

3.2 设备校准

测量设备及各种计量器具是检测工作中最基本的工具，它们的完好程度和准确度将直接影响检测数据的准确性，同时也会影响到对光学元件面形质量的评判[3]。所以，测量设备的计量校准是必不可少的。计量校准是衡量设备测量质量好坏的标准，是测量数据可靠性、真实性的有力依据，应定期对测量设备和计量器具进行校准。校准后需标定3种标识，即“合格”（绿色），满足设备指标要求；“限用”（蓝色），设备部分指标不合格，但不影响使用；“报废”（红色），设备指标不能达到要求，已影响正常使用，应停止使用并封存。对于特殊的测量设备，可以使用设备自身附件或有合格证的标准元件对测量仪器进行校准，以保证测量数据的准确性，也为设备使用者提供方便。

为了更有利于测量，使用大口径近红外相移平面干涉仪时应注意以下2点：

（1）为了保证系统运行的稳定性，需开机预热20 min。

（2）大口径近红外相移平面干涉仪底部的气浮垫子支撑点要完全接触气浮平台，以保证设备仪器的平稳性。不仅可确保仪器的稳定运行，也能增强数据采集图像的清晰度。

3.3 设备维护

对于引进的高技术设备，在使用过程中操作人员应定期检查设备内部零件，按零件的磨损程度决定是否需要更换。设备的维护好坏直接影响设备测量精度和使用寿命。因此，需定期对现场运行设备添加润滑剂，并做好保养记录。

4 光学元件反射镜后期质量控制

实验室对大口径反射镜光学元件接收、分类存放、传输和处理都要有严格的管理制度，以确保反射镜光学元件不受污染，不受损坏和保持原有的状态。

4.1 光学元件的接收

接收光学元件的负责人需对光学元件表面状态进行记录，如光学元件的种类、编号、数量、安装位置和光学元件表面的状态（气泡、划痕、崩角）等，可以在元件出光面的位置、形状和大小用图形的方式加以说明或注释。使用光学元件和接收检验光学元件表面质量的人员，需对光学元件表面状态进行确认签字并记录检验时间，以确保其保持光学元件原有的初始状态，能满足装校时夹持应力面形的要求，从而达到光学元件全流程闭环洁净控制与表面状态全过程（接收、清洗、检测、装校、调试、转运）跟踪的目的。

4.2 光学元件的分类存放

对接收的光学元件要专人严格管理，为防止混淆或误用，应对光学元件的类型进行归类，并在显注位置标注大红字为“待检”、“在检”、“已检”等字样[3]。把不同类型的反射镜光学元件分别存放，摆放整齐。例如，A6束组反射镜南路2的位置及光学元件反射镜序列编号为（A6S2TM6k9-56-0058-S-TM63-0001-FO）。对于特殊的光学元件的存放，如2倍频晶体、3倍频晶体及光栅等，可将其放置在固定的保护夹具上，并竖立垂直于光学平台上，为了提高光学元件的安全性，避免受到损坏，应用红色警示安全带将其隔离存放。

4.3 光学元件的处理

（1）主机装置神光-Ⅲ的光学元件有很多种类，如隔板玻璃、3倍频熔石英元件、钕玻璃、介质膜元件及其他各种光学元件等。对于不同的元件要根据其污染物的类型和受污染的程度，如低度污染、中度污染和重度污染进行洁净处理方式分析，首先根据污染情况采用不同的清洗方式（人工擦拭、等离子清洗、超声波光学清洗、化学清洗、激光清洗等）进行清洗，然后进行清洗洁净度实验分析验证、总结，最后采取最有效、快捷的洁净处理方式。

（2）光学元件表面的手指印是容易擦试清洗掉的污染物，属于低度污染，所污染的面积较小时可采用暗场人工擦拭法，利用高纯度乙醇等化学溶剂实现快速脱水，清除元件表面污染物，达到表面洁净的预期效果；光学元件表面的顽固油渍是不容易清洗掉的污染物，属于较重污染，可摄取一些镜面的污染物，利用检测分析仪分析出污染物由哪些有机物组成，再通过人工除去表面的重性污染物。通常采用快速酸洗洁净处理，先浸泡5 min，再利用大量高纯水及40 kHz～270 kHz的光学元件超声波清洗，光学元件依次通过清洗、漂洗、精洗、喷淋、干燥等一系列流程，可以有效洁净光学元件的表面。

（3）大型的光学元件通光表面膜层为单层或多层的介质膜，如3倍频熔石英元件、变形镜、反射镜等。在运输的过程中，光学元件表面会覆盖一些颗粒物的杂质，如表面的灰尘、手指印和油污等。随着科技技术的高速发展，能量打靶的技术指标会越来越精确，所面对的光学元件尺寸会越来越大。在复杂、特定的有限空间条件下，主机装置神光-Ⅲ在线洁净清洗技术，大多数采用风刀来处理光学元件大口径反射镜表面污渍，在线洁净处理系统主要根据高压氩氧混合气体，经过风刀极窄宽度的出风口（50 μm）产生快速气流的运转，利用快速气流的动力来克服颗粒污染物与光学元件反射镜表面粘力，从而将其去除。

4.4 光学元件的传输

光学元件大口径反射镜经过洁净处理后，利用密封性良好的洁净转运箱进行传递或转运，可降低光学元件表面2次污染的概率。由于光学元件大口径反射镜面积为610×4400 mm，属大型光学元件，可在洁净转运箱内部安放固定的支撑夹具，以起到安全、平稳和保护的作用。