惯性约束聚变束靶耦合的监测及精度分析

为了提高惯性约束聚变实验中高功率激光驱动装置束靶耦合的精度,介绍了几种束靶耦合监测方法,包括靶室外直接监测,靶室内直接监测,靶室内基于共轭原理的传感器监测等.分析了各种方法的优缺点,并重点对基于光学共轭原理的传感器的耦合精度进行了研究,分析了图像测量误差,C保护玻璃引入的误差,调焦导轨运动时引入的误差及传感器标定装校时引入的误差.实验测试及精度分析表明,共轭式传感器引入的束靶耦合误差为±10 μm.采用这种基于光学共轭原理的传感器,可以实现大型激光驱动装置的快速、高精度束靶耦合.     

ICF靶场坐标系的建立及其监测方法

提出了一种新的惯性约束聚变(ICF)靶场坐标系建立及传递的方法并设计了一种高精度光学标准靶。研制了三台光学视觉监测仪,介绍了监测仪的工作原理及光学系统设计。最后,介绍了标定方法,进行了实验并对试验结果做了分析。分析表明,靶场坐标系监测系统的综合精度为±3.28 μm。结果指出,该坐标系建立及传递的方法简单可行,监测系统精度较高,可以满足靶场系统对试验靶的引导要求。     

小体积长焦距激光指向监测装置研制

为了实现可见光波段多路不同波长激光的高精度合束与发射,设计了一套用于激光指向误差监测的紧凑型光学监测装置.根据光电跟瞄发射系统对激光合束与发射精度的应用需求,提出了光束指向监测装置的设计指标.在明确监测装置应用空间的基础上,分别对装置的光电探测器、光学系统和机械结构进行了详细设计,采用上下分层多次折叠的光学设计有效压缩...     

惯性约束聚变装置总体布局和结构设计

从工程角度系统分析了大型激光驱动惯性约束聚变装置(ICF)—美国的国家点火装置(NIF)和法国在建的兆焦耳激光装置(LMJ)的总体布局和总体结构设计的特点.NIF采用“U”型总体布局,可以提供优化的激光实验设备布局并允许未来增加第二靶室.LMJ采用“In-line”型总体布局,可以减小激光实验区输出光束至终端光学系统之间的光程,并为未来增加第二靶室提供了可能.文中指出,ICF装置的总体布局应满足物理实验以及稳定运行、集成和维护的要求.在此前提下,还应设计进一步发展所需要的接口.ICF装置总体结构设计中,光学元器件封装在光机组件内;在线可更换单元采用运动学支承定位.总体结构设计在结构布局和构型上应与总体光路设计相匹配,设计时需考虑功能性、稳定性和洁净度,满足光学元件,物理设备和光学诊断设备的安装定位、集成调试、运行维护的要求.     

惯性约束聚变装置真空靶室组件结构稳定性优化设计

真空靶室组件的结构稳定性对惯性约束聚变(ICF)装置的束靶耦合精度有重要影响,本文对真空靶室组件的结构稳定性进行优化设计。首先研究真空靶室组件的动态特性,求解其固有频率和振型;其次,分析支墩不同结构参数对真空靶室组件前三阶固有频率的影响,并由此建立结构参数影响固有频率的数学模型;最后,进行真空靶室组件的结构稳定性设计优化,求解真空靶室组件的最优结构。结果表明,优化后真空靶室组件的一阶固有频率为14.44Hz,满足ICF装置的设计要求。     

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

惯性约束聚变靶丸高精度X射线数字成像

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测,开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先,分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围,根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点,确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后,分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素,确定了低几何放大成像,低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案,该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差,解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后,对系统的性能进行了分析测试,实验结果表明,系统成像衬度良好,成像效率较高,分辨率优于0.5μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9μm(k=2),满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。     

高功率激光装置中靶的定位调试

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度,提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测,利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集,并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源,包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行,实现了理想条件下的零误差定位调整;调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5μm,角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行,故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。     

靶丸X射线光学厚度的精密检测

为了精密检测靶丸X射线光学厚度均匀性,建立了基于精密轴系和光纤阵列探测的靶丸X射线光学厚度检测装置,开展了光学厚度轮廓仪光路精密调校技术的研究,应用白光共焦光谱技术和光学显微成像技术,解决了气浮转台精密调整、X射线光路对中的难题,实现了对塑料靶丸壳层缺陷、表面质量、壁厚均匀性、壳层材料成分均匀性等多种耦合扰动综合效应的表征。对系统的稳定性进行了测试,实验结果表明,该系统的测量重复性偏差可基本控制在0.01%以内,空间分辨率约为100μm,满足ICF靶物理研究对靶丸X射线光学厚度扰动的高精度检测需求。     

基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量

为了实现水工物理模型实验中波高这一重要参量的高精度测量,提出了一种基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量方法。构建了波高测量装置的图像成像几何关系模型,研究了波高测量装置主要参数的确定方法。根据激光入水二值化图像特征构造了激光入水特征模板,提出了激光光斑动态跟踪算法。最后,根据确定的结构参数与图像传感器参数,搭建了实验装置,对波高传感器进行了标定,并利用标定曲线对电动位移平台模拟的波浪进行了测量。实验结果表明:实测位移与电动位移平台设定的位移基本吻合,最大误差仅为0.65 mm。该方法基本满足水工物理模型实验波高测量的高精度、非接触与高动态性等需求。     

基于激光莫尔信号精密定位装置的精度提高

为提高基于激光莫尔信号精密装置的定位精度 ,本文探讨了激光束束径与激光莫尔信号的依存关系 ,给出了与光栅衍射缝隙条数相对应的最小激光束束径的大小。其次还说明了激光源的光强度变化对精密定位装置的定位精度影响     

电子束泵浦准分子激光放大器的双程光路自动准直

提出了一种电子束泵浦准分子激光放大器的双程光路准直方法,以保证光束在放大器中按照预定方向传输,并使多路光束稳定精确地照射靶面.首先,鉴于准分子放大器中无天然准直基准提出了利用双叉丝像传递光路进行准直的方法,即把输入光束叉丝基准作为“近场点”,把输出光束叉丝基准作为“远场点”,并设计了放大器准直光路,编写了相应的软件.然后,在现有实验室条件下开展了电子束泵浦准分子激光放大器双程光路的自动准直实验.最后,分析了影响该方法的相关因素及准直精度.实验及分析表明,设计的准直系统在较短时间内实现了预定传输光路的自动准直,系统自身精度为0.63μrad,光束最大复位误差为13.75 μm,满足了电子束泵浦准分子激光放大器双程光路自动准直的要求.     

Burr control in meso-punching process

The shearing process for the sheet metal is normally used in the precision elements such as semi-conductor components. In these precision elements, the burr formation brings a bad effect on the system assembly and demands the additional de-burring process, so this imposes high cost on manufacturing. In this paper, we have developed the in-situ auto-aligning precision meso-punching system to investigate the burr formation mechanism and ultimately minimize burr. Firstly, we introduced the punch-die contact sensing method to align the punch and the die at initial state prior to the punching process. Secondly, by using the low-price semi-conductor laser, burr formed on the edges is measured intermittently during the punching process. We could, finally, make burr on the sheet metal uniformized and minimized by controlling of the precision X-Y table, 1 un resolution, and measuring burr height by semiconductor laser. Experimental results show the validity of our system for pursuing the burr-free punched elements.     

基于单LD-PSD的激光对中测量数学模型研究

通过对传统对中方法中的百分表法的测量原理进行研究,建立了一种基于单LD-PSD的激光对中测量数学模型,并对该数学模型的测量原理进行了推导。按照此数学模型,在选取2个不同的转角、测得PSD上光斑的坐标后,就能够推算出两轴之间的对中偏差,得到两轴之间的相对位置关系。     

基于单LD-PSD的激光对中测量数学模型研究

通过对传统对中方法中的百分表法的测量原理进行研究,建立了一种基于单LD-PSD的激光对中测量数学模型,并对该数学模型的测量原理进行了推导。按照此数学模型,在选取2个不同的转角、测得PSD上光斑的坐标后,就能够推算出两轴之间的对中偏差,得到两轴之间的相对位置关系。     

Highly accurate and quick bonding of a laser-diode chip onto a planar lightwave circuit

A method for accurately and quickly bonding a planar lightwaveguide circuit (PLC) and a laser diode is proposed. It is based on simultaneous auto-focusing on marks fabricated on the PLC and laser diode. Bonding equipment constructed to implement the method achieves alignment accuracy of ± 1 μm and greatly reduces the turn-around-time, i.e., the time from when the laser diode is picked up by the tweezers to completion of the bonding process.     

数控机床误差的激光干涉仪自动瞄准测量及补偿技术研究

开发了用于数控机床空间误差测量的激光干涉仪自动瞄准系统。该系统实现了机床多轴联动、而激光束的方向发生连续改变时空间曲线轨迹定位误差的测量。提出了通过一次对光实现数控机床整个空间定位误差的直接测量方法。采用网格方法储存测量误差,用有限元法实现补偿误差的预报。在立式数控加工中心上进行了误差的测量和补偿试验,结果表明所提出的误差测量方法精度高、速度快,误差补偿效果明显。     

基于二维PSD的激光准直系统研究

提出了一种以二维位置敏感传感器(PSD)作为反馈元件来实现激光光束自动准直的设计方案,同时建立了测量控制系统的数学模型。经过测试与理论分析,激光光束的准直控制范围不大于20μm,且此准直系统具有结构简单、调节快速的特点,可以广泛用于零件形位误差检测与机械安装调试过程中快速建立光学基准。     

靶准直器悬臂Y向调整机构受力和变形研究

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件,其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度,需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析,得到结构受力变形的理论关系式,可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性;基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化;利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明:Y向调整机构优化后,靶准直器静态Y向变形由原来的7.9μm减小至小于2μm,动态稳定性满足系统2μm/2h的稳定性要求。同时,试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致,验证了理论和仿真分析的正确性。