1 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
2 哈尔滨工业大学 精密工程研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
半球谐振子是高精度半球谐振陀螺的核心部件, 特征为熔融石英材料薄壁Ψ型复杂结构件, 其加工方法和制造精度是制约陀螺性能和产量提升的技术瓶颈。为解决石英谐振子异形复杂球面加工难题, 从工程应用出发综合考虑了谐振子加工参数要求, 分析探讨了谐振子球面加工涉及的球面展成、轨迹磨削、磁流变抛光等工艺方法及技术可行性, 提出了采用小直径球形砂轮的全包络轨迹磨削加工方法。研究结果表明, 满足工程使用需求的谐振子加工后, 内外球面圆度小于3 μm, 同心度小于2 μm, 表面粗糙度小于0.2 μm, 品质因数Q＞1×107, 显著提高了半球谐振陀螺随机漂移精度。
熔融石英材料 半球谐振子 球面展成磨削 全包络轨迹磨削 品质因数Q值 fused silica material hemispherical resonator spherical surface forming grinding full envelope path grinding quality factor Q value
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
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
强激光与粒子束
2020, 32(3): 032005
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
哈尔滨工业大学 精密工程研究所, 哈尔滨 150001
采用傅里叶模方法, 分析了单点金刚石铣削后KDP晶体表面小尺度波纹的周期和幅值对单层增透膜折射率、厚度以及透射率的影响。研究表明: 膜层最佳折射率在1.22左右, 在此折射率条件下, 保证透射率大于99%的单层增透膜的理想厚度范围应为180~220 nm, 并且折射率和膜厚值的选取基本不受晶体表面小尺度波纹周期和幅值的影响。若只考虑SPDT法加工后KDP晶体表面小尺度波纹周期和幅值的实际范围, 透射率基本不受波纹周期的影响, 但却会随波纹幅值的增大而加速下降。理想镀膜条件下透射率最大值大于99%, 并且通常在99.67%~99.94%之间。
KDP晶体 小尺度波纹 傅里叶模方法 单层增透膜 折射率 KDP crystal micro-waveness Fourier modal method single-layer anti-reflective coating refractive index
哈尔滨工业大学 精密工程研究所，哈尔滨 150001
采用SPDT 方法加工获得的KDP 晶体表面所残留的小尺度波纹对其激光损伤阈值有着重要影响。利用时域有限差分方法(FDTD)研究了KDP 晶体已加工表面存在的小尺度波纹对晶体内部近场光强分布的影响。通过对数值模拟结果的分析发现：表面残留的小尺度波纹，会使晶体内部的衍射场发生畸变，导致晶体内部光强沿横向和纵向呈现周期性的强弱分布；当小尺度波纹周期小于0.7 μm 时，其对晶体内部光强的调制作用很小，此时光强以倏逝波的形式在波纹附近产生调制；1.064 μm 时相对光强达到最大值；3 μm 后基本保持不变，相对光强随着小尺度波纹幅值的增加基本成线性增长，不同周期时增长幅度不同。
KDP 晶体 小尺度波纹 时域有限差分方法(FDTD) 相对光强 KDP crystal micro-waviness finite difference time domain (FDTD) method relative light intensity
1 哈尔滨工业大学 精密工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150001
2 成都精密光学工程研究中心,四川 成都 610041
高精度KDP晶体是惯性约束核聚变光路系统中的重要元件,而已加工表面的小尺度波纹对光学元件的透射比有着重要影响。采用傅里叶模方法理论分析了表面小尺度波纹的幅值及周期对KDP光学元件透射比的影响。研究结果表明,当小尺度波纹幅值小于100 nm时,透射比随波纹幅值的增加基本呈线性增长,波纹幅值每提高10 nm,透射比可提高近0.5%;透射比随着小尺度波纹周期的增加围绕中心透射比上下浮动,透射比振幅基本保持不变,且中心透射比及透射比振幅均随着小尺度波纹幅值的增加而增大;小尺度波纹周期在10.5-12 μm区间内时透射比明显很低,需采取措施避免小尺度波纹的周期出现在此区间。对KDP晶体进行了加工、表面形貌检测及透射比检测的实验,实验结果与理论计算结果基本吻合。
KDP光学元件 透射比 傅里叶模方法 小尺度波纹
哈尔滨工业大学 精密工程研究所,哈尔滨 150001
使用有限元方法分析了在激光辐照条件下,KDP晶体已加工表面存在的残余内应力、微裂纹及微孔等多种微纳米加工表层缺陷对晶体激光损伤阈值的影响。通过分析发现:KDP晶体微纳米加工表层缺陷的存在,会影响晶体表面的温度场及热应力场的分布,使入射激光的能量积聚在缺陷附近的很小范围内,造成晶体缺陷处产生局部熔融现象,从而使KDP晶体产生损伤,降低KDP晶体的激光损伤阈值。针对微纳米表层的微裂纹进行了损伤阈值测试实验,结果表明微裂纹的存在会降低KDP晶体的激光损伤阈值(约降低3 J/cm2),实验结果与仿真结果符合得很好。
KDP晶体 激光损伤阈值 微纳米表层缺陷 残余应力 微裂纹 微孔 KDP crystal laser damage threshold micro-nano processing induced surface defects residual internal stress micro-crack micro-pore
1 哈尔滨工业大学精密工程研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
2 哈尔滨工业大学自动化测试及控制系,黑龙江,哈尔滨,150001
建立了碳纳米管悬臂梁分子动力学模型,并对该模型的动态特性进行研究.分析了封腔中空气分子对纳米器件的阻尼作用,模拟了真空环境下碳纳米管原子处于平衡状态的自振情况,同时通过在外加激励作用下求解出该系统中碳纳米管的固有频率,绘制出了相应的幅频响应曲线.最后,对低真空环境下碳纳米管共振时的振幅进行分析.模拟结果表明:原子自振频率为2 THz;碳纳米管固有频率为4.79 GHz,且在初始阶段随着外加载荷的增加略有减小,随着载荷的继续增加而加大直到开关达到闭合状态;在相同的气压变化幅度下,低压环境的振幅变化远明显于高压环境下的振幅变化.
纳机电开关 分子阻尼 固有频率 振幅 分子动力学
