[发明专利]改善重力引起的光学元件的附加面形的方法及其夹持系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种超薄光学元件附加面形的控制方法，特别涉及一种利用杠杆原理改善重力引起的大口径超薄透射式光学元件的附加面形的方法，以及实现该方法的夹持系统，属于光学元件附加面形控制领域。

背景技术

随着高功率激光技术的不断发展，人们对激光系统的集光能力、分辨能力、传输能力的要求也在不断地提高。由于激光峰值功率受限于系统光学元件的损伤阈值，分辨能力正比于主镜的尺寸等因素，致使光学元件口径越来越大。光学元件口径增大，极大地影响了整个光学系统重量和体积，同时也增加了工程的制作成本。因此，通过减小光学元件厚度，使用薄型和超薄型光学元件来改善光学系统结构成为目前大口径光学系统设计的主要方式。然而，随着光学元件厚度的减小，其宽厚比则增大，使得光学元件面形在使用过程中非常容易受到如重力作用、机械振动等外界因素的影响，进而导致光束质量的恶化。其中，光学元件的自身重量和夹持该光学元件时所产生的光学元件变形尤为突出。在惯性约束核聚变(ICF)倍频系统中，大口径超薄KDP晶体作为ICF系统中频率转换的关键元件，其自身重量和夹持力引入的附加面形将导致KDP晶体内部晶轴的弯曲，从而会引起相位失配，进而导致频率转换效率降低。因此，在选择频率转换元件KDP晶体的夹持方式时，既要保证能将该晶体进行固定，又要尽量控制其附加面形相对为最小值，以保证其具有良好的面形。然而，现有的ICF倍频系统中KDP晶体的夹持方式和夹持系统在实现方式、附加面形的改善程度、以及制造成本等方面都存在一些缺陷和不足，因此，改进KDP晶体的夹持方式和夹持系统是ICF技术领域研究的热点和难点问题之一。

在现有技术中，改善ICF倍频系统KDP晶体附加面形的夹持方法主要有以下几种：

1、全外围夹持法

该方法由美国Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)提出，其主要结构是在KDP晶体正面提供4条用以施力的压条组成，晶体的支撑部分为没有专门设计用以优化的支撑条结构，依据该方法设计的夹持系统可以使KDP晶体的附加面形小于1μm。在文献(R.L.Hibbard，M.A.Norton，P.J.Wegner.The Design ofPrecision Mounts for Optimizing the Conversion Effficiency of KDP Crystals for the National Ignition Facility[R].UCRL-JC130317，1998.)中，口径为370×370mm²、加工平面度为3～5μm的KDP晶体，采用加工平面度为1～5μm的夹持系统，其在垂直放置自由状态下的面形为2.75μm，而采用全外围夹持法，施加1.0lbs/in的线性载荷后，其面形为3.2μm，相应的附加面形为0.45μm。在文献(P Wegner，J Auerbach，T Biesiada，S Dixit etc.NIF final optics system：frequency conversion and beam conditioning[R].Proc.SPIE，2004)中，口径为400当使用加工平面度为1～5μm的夹持系统，施加1.0～2.0lbs/in的线性载荷后，二倍频和三倍频KDP晶体的面形P-V值均为3.5μm。说明该方法能在一定程度上优化大口径超薄KDP的附加面形。但该方法实现过程中，对夹持系统的加工平面度要求极高，对KDP晶体施加的力也比较大，因而容易在KDP晶体内部产生残留应力。而且，实现全外围夹持法的装置价格也相当昂贵。

2、粘胶法