大口径透镜姿态调整机构的支承分布设计

　　1　引　言

　　大口径长焦距的光学调焦系统中,需要对透镜的光轴与机构的机械轴进行平行度调整,或称为透镜姿态调整,如应用于大功率激光打靶装置的终端光学组件的靶镜即需进行类似的姿态调整。激光打靶装置的基本原理是:高功率的激光束在靶场内按特定的光路传入,通过终端光学组件中的调焦模块对光束进行调焦,使激光会聚后能准确地集中在热核材料制成的靶丸某一特定部位上,在极短的时间内产生极高温和极高压,使被高度压缩的稠密等离子体在未扩散之前完成聚变反应,达到激光打靶的目的[1-3]。靶镜作为激光聚焦的最后光学元件,需将多路大口径强激光聚焦到靶丸数百微米腔孔内,其空间姿态会严重影响激光聚焦位置即打靶精度。为了保证微米级的打靶精度,在设计调焦模块中的大口径靶镜姿态调整机构时,需要重点考虑以下两个问题:(1)姿态调整机构或称调平机构,通常有3点支承、4点支承、6点支承等方案[4]。根据三点确定一个平面的原理,“三顶三拉”调平机构是采用较多的一种调平机构,但在对一个支承点调节时,会同时引起姿态的方位和俯仰变化[5-7]。对于以手动调整为主的三点调平机构,以往的研究主要就支承呈120°等间隔等圆周分布的标准型调平机构给出调平原理和结论[8]。但由于结构的限制,支承点并不能满足此布置,因此需对支承点的布置形式进行分析,以得出支承点的升高量与调整角度变化的关系,并给出其角度调整的相关性,以保证调整时的快捷及解算。(2)大多数调平机构的工作平板都承受负载,由于重力等作用会引起工作平板的形变,使得以此为基面安装的导轨、丝杠相互之间的平行度受到影响,从而影响到光束对焦的精度,因此需考虑如何设计支承分布才能尽量减少这种影响。

　　基于上述因素,本文在分析已有的调平机构的基础上,研究了大尺寸透镜姿态调整机构采用“三顶三拉”调平形式时,其支承分布形式对结构合理设计、结构受力变形和光束质量的影响,目的在于有效地提高该项设计的针对性和有效性。

　　2　调焦模块、调平机构和靶球的关系

　　激光打靶装置的靶室部分,由靶球和多个终端光学组件组成,图1是一种由多路激光束来实现打靶的示意图。

　　如图1所示,每一个终端光学组件通过法兰安装在靶球上,终端光学组件中有沿主光轴可调整靶镜焦点位置的调焦模块。在调焦模块中,利用基座平板、调节平板和三顶三拉的调节螺钉组成调平机构来实现靶镜的姿态调整,如图2所示。

　　调平机构的结构形式如图3所示,基座平板与调节平板之间通过三组螺栓连接,每一组螺栓中,两个螺栓起到拉的作用,中间一个球头螺钉完成顶的功能,一顶一拉相互配合,实现了各点支承的双向位移调整。每一组螺栓形成“一顶两拉”的工作模式,整个调平机构属于“三顶三拉”工作模式。