用于多光束精密聚焦的大型過渡錐體設計

用于多光束精密聚焦的大型過渡錐體設計

馬連英，費國強，張永生，王大輝

(西北核技術研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西西安710024)

摘要：根據高功率準分子激光打靶系統的要求，確定了18束激光的空間排布方式，在此基礎上設計了用于安裝聚焦透鏡的過渡錐體。使用有限元分析軟件ANSYS對過渡錐體在真空狀態下的結構變形進行了模擬計算，根據結果計算出了理想透鏡焦點的偏移量，在此基礎上對過渡錐體進行了結構優化設計。設計了過渡錐體的獨特支撐結構，采用該結構可以對過渡錐體進行六維調整并實現與靶室精密對接。實際物理驗證實驗表明，該過渡錐體調整方式設計合理、調整簡單方便，真空條件下透鏡焦點偏移量小于0.5 mm，完全滿足多光束激光打靶物理實驗的要求。

關鍵詞:準分子激光過渡錐體多光束聚焦

中圖分類號：TH16文獻標識碼：A

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

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

在某大型高功率準分子激光系統中[1]，采用MOPA技術和角多路技術，利用五臺激光放大器對18束激光進行功率放大，最終通過透射式激光打靶系統，實現多束激光同時聚焦于靶心處，從而在靶面上獲得很高的激光功率。透射式激光打靶系統如圖1所示由兩組反射鏡陣列、過渡錐體和靶室組成。其中，兩組反射鏡陣列上各安裝了18個反射鏡，用于將光學系統中經過功率放大的18束脈沖激光引導至靶心，經過過渡錐體上安裝的與18束激光相對應的透鏡聚焦于靶心處。根據準分子激光系統的物理設計，激光經過聚焦透鏡后焦點處光斑大約為500 μm，要求18束激光的聚焦光斑應重疊相交于以靶心為中心的SΦ1 mm球內。為了實現這個技術指標，對過渡錐體的精度提出了很高的要求——過渡錐體的精度需要借助理想透鏡(焦距沒有誤差)來衡量，即要求18個理想透鏡安裝到過渡錐體上之后，其焦點全部位于靶心SΦ1 mm小球內。作為透射式激光打靶系統的重要組成部分，過渡錐體對實現多光束精密聚焦至關重要。下面詳細介紹過渡錐體的結構設計。為簡便起見，在下文中統一將過渡錐體稱為錐體；后面提到的透鏡均為理想透鏡。

1打靶系統中激光束的空間排布方式設計

圖2　18束激光空間排布方式

進行激光束的空間排布方式設計要綜合考慮到聚焦透鏡焦距、激光束直徑和靶室上與過渡錐體對接的法蘭幾何尺寸限制。根據高功率準分子激光系統的相關物理計算，確定了18個聚焦透鏡的焦距均1864.5 mm。同時，理論計算結果表明，激光束經過五臺激光器的功率放大和光學傳輸系統后，到達激光打靶系統時激光束的直徑為Φ95 mm，這樣最終確定透鏡直徑為120 mm，去除壓邊外實際通光口徑為100 mm。球形靶室的直徑為Φ1320 mm，過渡錐體連接在靶室上一個通孔直徑為Φ300 mm的法蘭上。考慮以上幾個重要的限制因素，經過反復模擬，最終確定，光束采取緊湊的軸對稱分布方式，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°的三個圓錐面上，圓錐面的頂點重合于靶室靶心處，不同圓錐面上的光軸相互錯開分布。最終得到了如圖2所示的光束空間排布方案。

2過渡錐體結構設計

2.1過渡錐體的結構設計

根據已確定的光束排布方式，可以確定過渡錐體大端直徑約為Φ900 mm，小端通孔約為Φ400 mm。過渡錐體屬于中真空部件，要求內部焊接必須為連續焊，外部為加強焊。考慮到過渡錐體大端面上分布了18個用于安裝透鏡的法蘭，且法蘭之間間距較小，為了便于法蘭的內部焊接，錐體采取如圖3所示的分體式結構，即由錐形筒體和大端法蘭組成，兩者通過螺釘連接成為一體。從制造成本、焊接和加工等幾個方面綜合考慮，大端法蘭采取平板圓盤型式要優于球冠型式。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構的高穩定性，筒體和大端法蘭使用的材料都偏厚，具體材料厚度通過下面的錐體結構力學分析來確定。

根據前述光束排布方式，錐體上用于安裝透鏡的法蘭之間間隙很小，約為8 mm左右，所以無法設計專用機構對透鏡姿態進行精密調整，這樣就對錐體加工精度和安裝精度提出了很高的要求。基于上述原因，錐體與靶室采取柔性連接方式即波紋管連接方式。打靶系統工作時，靶室和錐體內部處于真空狀態，為防止波紋管表面的大氣壓力轉化為對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，以保證錐體的結構穩定。

1.錐形筒體；2.大端法蘭；3.支撐桿。 圖3　錐體結構示意圖

2.2錐體結構力學有限元分析

如前所述，過渡錐體工作時內部處于真空狀態，而錐體外表面承受的大氣壓力會使錐體產生變形，進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下的變形情況。實際上，影響多光束聚焦精度的因素還應考慮到錐體的加工精度。錐體的機械加工擬使用高精度五軸聯動數控中心，其主軸擺動定位精度達到0.001°，因此由加工誤差導致的聚焦誤差很小，可以不予考慮。

錐體在真空狀態下會產生變形，對單個安裝透鏡的小法蘭而言，這種變形會使其上透鏡的安裝面發生變化。具體來說，根據圖3所示的空間坐標可以看出，X方向的變形會使透鏡安裝面產生一定的偏轉，進而會導致透鏡中心軸發生一定的轉動并使透鏡的焦點位置發生變化，而Y和Z方向的變形只會改變透鏡安裝面的圓度，并不會使透鏡焦點發生偏移。

圖4　透鏡焦點偏移量 計算示意圖

下面根據X方向的變形計算透鏡焦點(假定為理想透鏡，不考慮其焦距誤差)位置的變化情況。偏轉角度的計算如圖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點為透鏡偏轉前焦點，O′為偏轉后焦點。由于發生偏轉的角度很小，可以近似得到：

Δl=2Δx·R/D

下面使用有限元分析軟件ANSYS進行變形分析。根據錐體的安裝狀態，選擇將錐體與支撐組合后進行求解。錐體結構較為復雜，所以使用SolidWorks軟件進行建模，并對不影響計算結果的部分結構進行簡化處理，之后導入ANSYS程序中。對于錐體這種復雜且形狀不規則的結構，使用具有二次位移型函數的SOLID92[2]單元進行計算，采用自由網格劃分實體模型。對錐體的小端法蘭端面施加X、Y、Z三個方向的約束，對支撐底面施加Y方向的約束，對錐體側面和大端法蘭端面及18個小法蘭端面施加一個大氣壓力，根據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階面上，為3.27個大氣壓力。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進行建模并劃分網格，得到如圖5所示的網格劃分結果，通過模擬計算得到如圖6所示錐體在三個方向上的變形圖。

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，因此可以認為錐體上每個透鏡安裝面都以其中心點處的切線為軸發生偏轉。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)，可以認為透鏡安裝面的中心點(也是透鏡中心軸與安裝面的交點)沒有移動。

對圖6(a)進行判讀，直接讀取每個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)中就可以計算出透鏡焦點的偏移量Δl。計算結果如表1所示，表中透鏡的編號對照圖5按照從左至右、從上至下的順序進行編號。

圖6　過渡錐體與上支撐在真空條件下變形圖

表1

錐體上18個透鏡呈軸向對稱分布，欲使其焦點位于靶心SΦ1 mm小球內，則每一個透鏡焦點的偏移量應小于0.5 mm。據此來看表1中的數據，透鏡焦點的偏移量均超出了SΦ1 mm的要求。因此需要對錐體的筒體壁厚和大端法蘭壁厚進行優化設計。大量的模擬計算表明，增加筒體壁厚和大端法蘭壁厚并不能顯著減小透鏡焦點的偏移量，例如當大端法蘭壁厚增加到40 mm時依然不能滿足要求。根據錐體大端法蘭的結構特點，嘗試在每列小法蘭之間增加加強筋，經過計算發現，此種方法可有效減小透鏡焦點的偏移量。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，加強筋截面尺寸為30 mm×80 mm，表2給出了模擬計算結果，可以看出處于真空狀態的錐體上透鏡焦點均位于SΦ0.8 mm小球內，達到了設計要求。

圖7　過渡錐體與上支撐在真空條件下變形圖

表2

2.3錐體的支撐結構設計

要實現錐體與靶室和反射陣列2的精密對接，安裝錐體時需要對其進行六維調整，為滿足這個要求，確定錐體的支撐結構如圖8所示采取上下分體框架式結構，即由上支撐和下支撐兩部分組成，兩者之間通過四個螺桿連接。調整螺桿上螺母的位置即可調整錐體的高低。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，可以實現錐體在X和Z方向分別在±10 mm和±5 mm范圍內進行調整，沿X方向具有較大調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階面上。上支撐的中間板與錐形筒體上焊接的連接板通過螺釘固定在一起。上支撐上所有連接孔均為弧形孔，以實現錐體繞X軸小角度旋轉調整。

1.前支撐板；2.后支撐板；3.螺桿；4.弧面板。 圖8　錐體支撐結構

為了保證錐體具有最大的調整范圍，要求下支撐與靶室之間具有較嚴格的相對位置精度，因此在結構上要確保下支撐本身在安裝時可以進行一定范圍內的調整。下支撐采用框架式結構，具體的結構需根據打靶系統所處實驗室的具體條件而定。球形靶室的四個圓柱支撐沉入地面以下2.5 m處，呈四棱臺型式，靶室周圍3 m×3 m區域內的地面上無法放置任何物體。經過分析，采取如圖8所示的支撐方式即下支撐的兩個后支撐板置于靶室支撐的橫梁上，兩個前支撐板則直接固定于地面上。經過實際的測量，橫梁有一定的傾斜。為了消除橫梁的傾斜給安裝帶來的不利影響，決定在下支撐的后支撐板上加工通槽，槽內放置弧面板，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行適當的轉動和平移。

目前該過渡錐體已經安裝到位并投入使用。在安裝過程中，借助特制的調整工裝，在較短時間內完成了對錐體的安裝與調整。使用平行光管[4]產生的準直光束代替真實脈沖激光束對真空條件下的透鏡焦點偏移量進行了測量。在靶心處放置一個CCD相機，記錄下錐體抽真空前后的光斑尺寸，將兩者對比就可以計算出透鏡焦點的偏移量。經過測量，透鏡焦點的偏移量均小于0.5 mm，達到了設計指標。

3總結

根據高功率準分子激光打靶系統對過渡錐體提出的技術要求，分析了過渡錐體在真空條件下的結構變形對透鏡焦點位置的影響，使用有限元軟件ANSYS對過渡錐體進行了結構力學分析，在此基礎上完成了對錐體結構的優化設計。錐體的支撐結構采用上下分體框架式結構，可對錐體進行六維調整，采用柔性連接方式與靶室精密對接。使用CCD相機對真空狀態下透鏡焦點的偏移量進行了模擬測量，結果表明實測結果與模擬計算結果基本一致，完全達到錐體的技術指標，可以滿足多光束打靶物理實驗的要求。

參考文獻

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[2]劉偉,髙維成,于廣濱. ANSYS 12.0寶典[M]. 北京:電子工業出版社,2010(7)

[3]董均果主編. 實用材料手冊 [M]. 北京:冶金工業出版社 機械工業出版社,2000(10)

[4]王磊,王守印,周虎.平行光管的基本原理及使用方法[J].儀器儀表學報, 2006, 27(6)：980-982