Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
2 Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
In order to reveal the evolution mechanism of repaired morphology and the material’s migration mechanism on the crack surface in the process of laser repairing surface damage of fused silica optics, two multi-physics coupling mathematical models with different scales are developed, respectively. The physical problems, such as heat and mass transfer, material phase transition, melt flow, evaporation removal, and crack healing, are analyzed. Studies show that material ablation and the gasification recoil pressure accompanying the material splash are the leading factors in forming the Gaussian crater with a raised rim feature. The use of low-power lasers for a long time can fully melt the material around the crack before healing, which can greatly reduce the size of the residual air layer. Combined with the experimental research, the methods to suppress the negative factors (e.g., raised rim, deposited debris, air bubbles) in the laser repairing process are proposed.
CO2 laser repairing fused silica crack healing surface evolution Chinese Optics Letters
2021, 19(4): 041402
强激光与粒子束
2020, 32(8): 084002
1 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
针对大口径反射镜表面污染物的成像特点,研究了污染物的暗场检测算法,包括图像采集过程中的自动聚焦算法,图像处理过程中的畸变校正与污染物提取算法等。就自动聚焦算法提出了粗-精结合的峰值搜索策略,并采用Tenengrad函数作为清晰度评价函数,获得了较高的聚焦精度。畸变校正算法在所建畸变模型的基础上,基于标定板角点的射影变换性质,求解畸变模型系数,实现了图像畸变校正,校正结果的方均根误差为3.3092 pixel。污染物提取算法采用顶帽变换去除图像背景,对去除背景的图像采用拉普拉斯算子加权自适应二值化算法提取污染物,该算法针对光照不均的小尺寸污染物图像的处理效果较好,检测结果数量误差为7%,检测精度优于全局阈值算法以及均值算子加权自适应二值化算法。该检测算法可以为反射镜表面洁净状态评估提供技术支撑。
成像系统 暗场成像 自动聚焦 畸变校正 污染物提取
1 哈尔滨工业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
对熔石英材料的光学特性进行研究, 利用分光光度计得到了不同波长下元件的光透过率、吸收率及其变化规律。通过熔石英材料纳米压痕实验, 研究了熔石英材料的机械特性, 得到了熔石英晶体的弹性模量和材料硬度。研究了熔石英材料的断裂特性, 分析熔石英光学元件超精密加工亚表层损伤形成机理, 对亚表层损伤裂纹的结构、组成以及裂纹扩散的形成过程进行了分析和研究。利用纳米压痕实验, 模拟研磨加工时, 材料表面受单颗粒磨粒静态压印和动态冲击时形貌演变的过程, 得到了维氏硬度、断裂韧性及临界压力载荷。
光学材料 熔石英 光学特性 断裂韧性 纳米压痕 optical materials fused silica optical characteristics fracture toughness nano-indentation
哈尔滨工业大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001
为深入了解熔石英元件化学刻蚀过程，研究了HF刻蚀反应机理、HF刻蚀工艺参数以及刻蚀对表面质量的影响规律。通过控制变量法，获得刻蚀速率随HF浓度、刻蚀温度以及NH4F浓度的变化规律。对刻蚀不同深度后的元件表面粗糙度、形貌、杂质含量以及激光损伤阈值进行了检测，实验结果表明：刻蚀速率受多种因素共同影响，其中HF浓度的促进作用最为显著；刻蚀后的熔石英表面形貌复杂，有横向、纵向、拖尾等形式的划痕，以及坑点、杂质等缺陷，其中横向划痕和纵向划痕占据了缺陷部分的主体，主要杂质铈元素随刻蚀时间的增长不断减少；激光损伤阈值测量实验表明，通过HF刻蚀将元件损伤阈值提高了59.6%。
光学制造 熔石英 化学刻蚀 亚表层缺陷 激光诱导损伤 optical manufacturing fused silica chemical etching sub-surface damage laser-induced damage 强激光与粒子束
2017, 29(11): 111001
哈尔滨工业大学 机械制造及其自动化系，哈尔滨 150001
在高功率激光系统中，精密微机械修复是减缓磷酸二氢钾（KDP）晶体表面缺陷增长的有效方法，使用精密微铣削机床可以加工出球面型与高斯型修复轮廓。为得到最优的修复结构参数，建立了晶体前表面球面型与高斯型修复轮廓的电磁场有限元模型，通过改变轮廓的宽度、深度等参数，对两种修复轮廓的光强调制能力进行对比研究。仿真结果表明光强调制能力主要是由修复轮廓的衍射效应及入射光在修复界面处的二次入射所引起的干涉作用共同决定；针对初始损伤点，建议采用宽深比大于5的修复轮廓，从而有效提高KDP晶体表面缺陷点的激光损伤阈值，对于宽深比大于10的修复轮廓建议选用高斯型；对宽1000 μm，深20 μm的两种修复表面的激光损伤实验表明，高斯型修复轮廓具有较高的抗损伤能力，实验与仿真结果相一致。
KDP晶体 激光损伤阈值 相对光强 高斯型 球面型 微铣削修复 KDP crystal laser-induced damaged threshold relative light intensity Gaussian spherical micro-milling mitigation 强激光与粒子束
2015, 27(12): 122003
针对等离子体特定领域的应用需求,研制了一种基于上位机监控且具有手动/自动控制功能的脉冲电源。详细介绍了脉冲电源主电路、检测电路、驱动电路、数字脉宽调制（DPWM）产生模块以及脉冲变压器的设计方法。该电源采用现场可编程门阵列（FPGA）作为主控芯片,产生DPWM信号及继电器控制信号,经驱动电路放大后驱动逆变全桥及继电器。设计了过温和短路保护电路,通过DS18B20温度传感器和QBC10PS5霍尔电流传感器对电源模块的工作温度和电流进行实时采样。实际应用测试表明,该电源满足设计指标要求。
脉冲电源 现场可编程门阵列 手动/自动控制 脉冲变压器 pulse power supply Field Programmable Gate Array manual and automatic control pulse transformer 强激光与粒子束
2015, 27(9): 095004
针对原子氧地面模拟设备需要通过电流源形成磁镜效应对其发射度进行约束,以及用于原子氧参数测试仪器校准,研制了一款基于运算放大器的精密压控恒流源.为了防止恒流源的供电电源纹波对电路性能的影响,又配套研制一款开关电源滤波器.最后测试表明:开关电源滤波器能有效减少电源噪声,+15 V电源的纹波系数降到万分之一,恒流源输出电流10 pA~1 A,精度500 fA,其稳定和负载稳定性优异.
原子氧 恒流源 开关电源滤波器 运算放大器 纹波 atomic oxygen constant current source switching power supply filter operational amplifier ripple 强激光与粒子束
2015, 27(8): 082002
基于嵌入式系统的发射度测量仪采用法拉第筒测量方法，数据采样率达到200 kHz，设计有7个不同的电流采样量程。讨论了发射度测量仪的系统构成和工作原理，详细介绍了其数据采集系统的设计与制作。通过选用高速、低噪声的集成电路芯片并组合适当大小、适宜材料的电阻和电容构建模拟链路，贯穿于整个模拟链路的滤波设计和低噪声的模拟电源技术及屏蔽防护技术都保证了低噪声采集电路的实现。实验测试表明：在量程为10 nA时，该测量仪测量精度为1.47%，量程1 000 nA时则达到0.32%；采样20 kHz的正弦波信号失真度为6.5 dB; 运动精度为1.25 μm时，运动速度最高3.125 mm/s。
离子束 嵌入式系统 发射度 测量仪 低噪声 ion beam embedded system emittance measurement instrument low noise
1 中国工程物理研究院 流体物理研究所,四川 绵阳 621900
2 中国科学技术大学 信息技术学院,合肥 230027
神龙一号直线感应加速器(LIA)产生的强流高功率的脉冲电子束与 X光转换靶作用后可以产生高剂量的X光,同时由于转换靶的被烧蚀破坏在靶面产生回流离子,该回流离子的存在影响到电子束的聚焦。设计了4套法拉第筒及其对应的偏压电路,法拉第筒被放置在神龙一号X光转换靶上游不同位置,分布在电子束轴线两侧,电路设计最高偏压为1 kV;对神龙一号LIA 的X光转换靶面产生的回流离子进行了实验测量,分别得到回流正离子密度约在1021/m3,离子运动速度可达2～3 mm/s。计算比较表明,该离子流强度与神龙一号靶前电子束流相差很大,只有电子束流强的0.27%,对神龙一号电子束聚焦不会造成影响。
直线感应加速器 束靶作用 回流离子 法拉第筒 linear induction accelerator beam-target interaction backstreaming ion Faraday cup
