高功率激光装置是一项综合性的系统工程,涉及到了光学、精密机械、能源及控制等诸多领域。对于激光驱动装置而言,物理设计实现了激光驱动器的性能;而精密机械则保障了激光驱动器物理功能的实现。

激光驱动器作为一个巨型光机工程,是物理极限和精密技术有机结合的典范。激光驱动装置由前端、预放、主放、靶场等多个系统组成,这些系统在实现自身功能同时也对精密机械提出相应工程需求,其中既有现代光学系统的普适需求,又有高功率高通量激光系统所特有的要求,即:稳定传输、精确指向、洁净集成、高效设计。

稳定传输

稳定性是高功率激光驱动器中精密机械结构首先要考虑的最重要问题。激光传输穿越数百米路程,期间要经过几百块光学元件,最后击中的落点不能超过30 µm的范围,任何一个光学元件有一个微小角度的偏差就会导致光束偏离而无法击中靶点,其难度相当于要求一位身处南京的神枪手,准确击中一个位于上海的乒乓球。轻微的风吹草动,在这里都成了山呼海啸。

然而,振动又是无处不在的,所以必须采取措施使机械结构在一定时间内稳定在要求的精度范围内:

装置器件需要预先进行严密的结构设计和模态分析,计算预估它们的固有频率,使其避免共振和有害振型,让光束指向对振动不敏感;

运用高阻尼比材料减少振动幅度;

发展技术,对系统光学元件稳定性指标实现合理分配。


图 光束高稳定精确传输示意图

精确指向

激光光束对各种镜片的安装位置和角度高度敏感,类似上文谈到的振动偏移一样,需要采用高精度的调整将安装误差调整回来。光学器件一般要求位移精度在0.01 mm左右,最高的需要达到1 µm甚至nm量级;角度调整精度一般要求小于100 μrad,最高要求小于1 μrad。

例如九路靶场口径为φ570 mm高精度反射镜,其功能是保证激光光束引导准确性和对靶的瞄准精度。为了达到反射镜架设计要求,选择灵敏度高,迟钝度小的微动机构和优良的支承机构,同时利用支承上弹性元件弹性极限范围内的变形和微动机构可以达到所要求的调整角度和调整精度。在实际使用中,性能全面达到设计指标,其良好的稳定性(0.67 μrad/2h)保证了装置实现靶瞄准精度指标。

洁净集成

实验室环境中的尘埃、机械加工和集成过程中残留颗粒、油污以及挥发物等都可能会在激光运行过程中扩散到光学元件表面上,经强激光辐照后会导致光学元件表面形成破坏点,并会因调制作用造成后续光学元件的损坏。光学元件损伤会对装置的激光通量,能量效率以及运行稳定性和可靠性带来很大的影响,同时也限制激光能量达到更高水平,因此必须从实验大厅环境、到装置器件表面、再到光学元件表面,对洁净度进行逐级控制,层层把关。

装置环境的洁净等级要达到百级洁净,是指在受控区域中,每立方米内大于0.5 μm 的颗粒小于3530个。这相当于制药车间的洁净度要求。表面不挥发残留物要求控制在level A/10,即每平方厘米表面上残留物质量不超过0.1 μg。对于机械结构采用超声波清洗、高压高温洁净水冲洗(170个大气压,温度45-55 ℃)等工艺清除零部件在加工过程中附着油污,采用特殊无油运动机构实现高真空环境下的精密运动,在装置上实现基频约19 J/cm2通量运行下无明显污染导致的元件损伤。


图 运行维护中终端洁净气体吹除气溶胶污染

高效设计

高功率激光驱动器是大型科学装置,涉及零部件成千上万,在有限的空间内安置这些机械或电气结构件及降低建造和维护成本。

采用标准化、模块化、系列化技术对激光驱动器关键组件进行提炼整合,实现三年内五路激光的系统构建,设计、制造,有效支撑国外大型激光装置的高效研制,获得国内外同行的认可;

利用跨学科的光机集成分析方法针对装置中的关键单元部件和总体进行结构参数分析和性能优化,例如针对大口径镜片的装夹方式以及工艺参数进行优化,实现了大口径反射镜片的低应力装夹,因装夹引入的变形小于十分之一波长;

利用跨学科的光机集成分析方法针对装置中的关键单元部件和总体进行结构参数分析和性能优化,例如针对大口径镜片的装夹方式以及工艺参数进行优化,实现了大口径反射镜片的低应力装夹,因装夹引入的变形小于十分之一波长;


图 驱动器装置中关键元件的稳定性分析

本文以高功率激光物理国家实验室三十周年庆为契机,介绍了实验室系列激光装置系统工程结构设计的关键设计要求,从而保证激光的传输、转换和调控。希望通过几代人不懈努力,让不断升级的激光装置不仅在使用功能上满足要求,同时拆装操作方便,外观整齐大方,更要体现新一代高功率激光装置在设计思想上不断创新与进取的精神。