大口径反射镜精密装校工艺过程的质量管控_易聪之.pdf

2022 年 第 12 期 化学工程与装备 2022 年 12 月 Chemical Engineering&Equipment 191 大大口径口径反射镜精密装反射镜精密装校校工艺过程的质量管控工艺过程的质量管控 易聪之，叶 朗，全旭松，曹庭分，张尽力（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900）摘摘 要要：大口径反射镜作为高功率固体激光装置中的光传输模块，其装校性能主要体现在其装校后的光学元件表面洁净度和光学元件反射波前畸变（即面形 PV）。本文从人、机、料、环、法、测等方面出发，梳理了大口径反射镜光机装校工艺过程中的满足其光学性能和表面洁净度性能的质量控制要求，为复杂光机系统中的光学元件洁净精密装校工艺过程的质量管控提供参考与借鉴。关关键词键词：反射镜；质量管控；面形畸变 引引 言言 高功率固体激光装置中由成千上万块大口光学元件组成，其中大口径反射镜作为光束传输部分的核心关键模块，对其光机模块的光学性能要求极其严苛，主要体现在洁净度指标和装校后的光机模块反射镜表面的面形畸变 PV 值上。其中洁净度指标主要体现在装配过程的洁净度闭环的管控，面形畸变 PV 值主要体现在装校工艺过程的控制上。随着激光输出能力的不断提高，对反射镜的生产的质量控制也越来越要求高，对整个精密装校工艺过程中的人、机、料、法、环、测等六大方面也需要得到重要保证。1 1 大口径反射镜紧密装校工艺的质量控制要素分析大口径反射镜紧密装校工艺的质量控制要素分析 根据反射镜的装校工艺要求，梳理了反射镜的装校工艺流程及相关流程的质量控制要素，如图 1 所示。图图 1 1 大口径反射镜装校工艺流程及质量控制要素分析大口径反射镜装校工艺流程及质量控制要素分析 图图 2 2 大大口径口径反射反射镜精密镜精密装装校工艺过程质量控制校工艺过程质量控制内容内容 DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.107192 易聪之：大口径反射镜精密装校工艺过程的质量管控 基于上述工艺流程及质量控制要素分析，反射镜装校工艺质量控制归纳为操作人员控制、设备操作规范控制要求、装校工艺过程控制、装校工艺环境控制等四个方面，其质量控制要素归纳与分解框架如图 2 所示。2 2 反射镜装校工艺质量管控要求反射镜装校工艺质量管控要求 2.1 操作人员控制要求 反射镜元件装校工艺涉及光、机、控、测等多学科交叉专业，属于精密洁净装配与检测范围，其操作人员专业技能培训、操作人员协同及其洁净防护要求均需要进行约定。2.1.1 操作人员装校技能培训 针对反射镜装校作业人员，应具备光、机、电的综合装校能力，能够完成装配、校对、检测等工作所需设置的光学元件、机械元件等各个工艺环节实行的工艺规程和测量数据的准确性。激光聚变研究中心针对精密装校操作人员，先后需要开展光学知识培训、面形检测专业知识培训、精密设备操作培训、洁净检测检测、装配工艺过程训练培训等。经过操作实训后，进行过知识和操作考核合格，并取得相应的精密装上岗资格证后，方可参与反射镜装校工艺作业任务1。2.1.2 操作人员协同及其洁净防护 反射镜装校工艺一般需要多人进行协同装校，需要配备操作员 2 名、工艺参数记录人员 1 名，并进行分工协作。反射镜装校工艺过程需要人员参与，经过实验证明，在百级实验室，除了有机物挥发过程外，人员走动的气流往往会带来大量颗粒污染物，因此操作人员不仅需要正确穿戴百级洁净防护服，还要戴好洁净防护口罩以及洁净手套,这三种防护洁净用品有以下严格的使用要求：（1）按照百级洁净室的要求，女士不能穿戴首饰，抹去化妆品或润肤霜；（2）戴上洁净防护口罩时一定要遮盖好嘴巴和鼻子两部分，以免近距离接触光学元件表面时，会出现少许水雾；（3）穿戴洁净手套时，手套上的护腕要紧紧地套在防护服的袖口上，其目的不让身体上的代谢物掉落下来，以免影响光学元件表面的洁净度；（4）穿戴百级洁净防护服时是从头开始往下穿；（5）首先戴上头套，头部上多余的发际不能暴露在外面，以免影响 ISO5 级的洁净环境；其次穿上连体服，其上边的衣领要叠加在头套上的延长部位的上面，最后坐在跨登上，穿上百级鞋套；（6）在全身长度的镜子前面检查，确保整套装备穿戴合格，方可进入百级实验室。多人协同作业人员还需要在作业过程中动作幅度需要尽量小，取放东西需要轻拿轻放；此外，操作人员在操作过程中，还需要尽量避免在光学元件上方活动如图 3 所示。图图 3 3 操作人员协同操作规范操作人员协同操作规范 2.2 设备操作流程控制要求 反射镜精密装校过程需要使用的大口径近红外干涉仪面形检测系统、光学元件表面洁净度暗场检测系统等精密测试系统，不仅需要对设备操作的规范性进行严格控制还需要对设备的精度进行校准和定期运行维护，致力于保证设备始终处于优良使用环境的状态，下面对其操作的规范性及质量控制要求进行介绍。2.2.1 大口径近红外干涉仪面形检测设备操作控制要求 反射镜装校工艺过程使用的大口径近红外干涉仪属于高精密光学检测设备如图 4 所示，其设备性能指标为2：（1）标准镜参考面面形精度100nm；（2）空腔精度100nm；（3）空腔 RMS 重复性1nm。图图 4 4 大口径红外干涉仪实物图大口径红外干涉仪实物图 使用该设备需要操作人员持证上岗，确保设备使用状态良好的情况，严格按照其操作工艺规程执行，以简化的操作规范如图 5 所示。图图 5 5 大口红外干涉仪操作流程要求大口红外干涉仪操作流程要求 易聪之：大口径反射镜精密装校工艺过程的质量管控 193 2.2.2 暗场检测流程要求 暗场检测设备主要用于检测装校前、后反射镜元件表面颗粒污染物洁净度状态，其系统组成及操作流程如图 6 所示。图图 6 6 暗场检测操作流程暗场检测操作流程 2.3 装配工艺过程控制要求 2.3.1 装配夹持工艺要求（1）装配力预紧控制要求及拧紧顺序要求 用扭力螺丝刀从左到右的顺序依次拧紧反射镜的上表面、左表面、右表面的胶钉，螺钉拧紧力为 20cN.m；螺钉夹紧的反射镜面形与未夹持的面形两者之间的差值可作为反射镜夹持附加畸变，取五次测量面形的平均值为最佳接近的真实测量数据。图图 7 7 反射镜的夹持结构反射镜的夹持结构 （2）装配后面形恢复时间控制要求 装配夹持力释放后的大口径反射镜恢复面形的时间是有一定的影响，需要以下的控制要求 装配后的光学元件可将其放置在固定的保护挡板上，并竖立垂直于光学平台上，为了提高光学元件的安全性，避免其受到损坏。用标注红色警示牌为“在检”的字样将元件隔离存放3；经验证实验得出夹持受力 5 小时后测量的面形值比夹持受力 1 小时后的测量面形的值小。（3）装配附加面形测量数据精确性控制要求。某激光装置中，对大口径反射镜的装校夹持附加畸变PV 控制/3（=632.8 nm）即 PV=211 nm，但是由于大口径反射镜的本身测量误差为 1/10左右，为了测试数据的准确性，需要从以下几个方面对反射镜附加面形测量过程进行控制：测试过程中避免周围的作业，减少周围振动带来的干涉条纹波动；关闭风机或隔离防风罩，减少气流扰动对测试干涉条纹的扰动；反射镜装校之前，测试裸镜面形测量次数5 次，观察干涉条纹及面形结果，保证 5 次测试结果无环境干涉导致的面形出现噪声或许出现面形，正常反射镜面形为均匀连续变化的曲面，不会出现突然断层结构；反射镜装校之后，对面形进行反复测试次数5 次，观察干涉条纹及面形结果，保证 5 次测试结果无环境干涉导致的面形出现噪声或许出现面形，正常反射镜面形为均匀连续变化的曲面，不会出现突然断层结构；针对测试前后，分别对数据进行求平均值，作为最终测试数据。2.3.2 洁净清洗擦拭工艺要求 大型的激光装置有很多不同类型的大口径光学元件中有窗口玻璃、反射镜、钕玻璃、变形镜、楔形透镜等光学元件，大多数的光学元件表面镀有两种介质膜，一种为化学的介质膜，另一种为无介质膜。镀上不同的介质膜就会采取不同的洁净擦拭的处理方式。目前的大口径光学元件体积大，价格昂贵，为此在擦拭的过程中，动作要轻微，洁净清洗擦拭有以下的要求：（1）现场操作人员在暗场的环境下，左手持强制探照灯下目视观察光学元件表面的灰尘，右手拿上粘上少许的酒精的绸布，可擦拭光学元件表面，其目的能快速地清除元件表面上的杂质；（2）在灯光照射下能看到光学元件表面上有细微的颗粒物，可采取洗耳球进行吸取。2.3.3 装配工艺过程记录要求 在装配大口径光学元件过程中，负责人需对光学元件表面状态进行记录，如光学元件的种类、编号、数量、安装位置和光学元件表面的状态（气泡、划痕、崩角）以及形态的大小和位置等，以确保其保持光学元件原有的初始状态，来满足装校时夹持应力面形的要求。2.4 装校环境控制 2.4.1 实验室环境 大口径反射镜装校工艺需要具备如下要求：（1）配备由上至下的循环洁净过滤环境，实现在洁净度环境达到 ISO5 级洁净度环境；（2）实验室相关仪器设备对循环气流的扰动要求严格，因此需要进行隔振和隔离防护措施，比如大口径面形检测干涉仪，需要将被测反射镜模块和仪器设备采用隔振气浮平台，且采用独立隔离玻璃房对测试过程的动态气流进行隔离，从而避免由于环境导致的测试结果不准确；（3）对光学元件表面洁净度检测过程，需要具备独立的暗场检测环境，是为了避免环境彩光导致检测反射镜表面的颗粒污染物数量的误检，从而对检测结果导致较大的误194 易聪之：大口径反射镜精密装校工艺过程的质量管控 差。2.4.2 动态洁净控制要求 大口径反射镜装校过程，需要人工参与，除了操作人员协同及其洁净防护控制要求外，还需要在作业 23 米范围内无其他人员作业或高速机械运动的其他作业任务，保证动态环境的洁净度仍能满足洁净度等级满足ISO 5级对环境颗粒污染物的要求4-5。根据洁净室及相关受控环境第 1 部分空气洁净度等级 指出不同级别的洁净室内控制的空气悬浮粒子的参数，每立方英尺含有0.5um粒径的微尘粒子1颗时，即为 1 级。主要针对洁净实验室及洁净区空气洁净度整数等级的控制参数如表 1 所示6-7。表表 1 1 洁净室及洁净区洁净室及洁净区空气洁空气洁净净度数数等级度数数等级66 ISO 等级 N 大于或等于关注粒径的粒子最大浓度限值/(PC/m3)0.1um 0.2um 0.3um 0.5um 1um 5um ISO1 级 10 2 ISO2 级 100 24 10 4 ISO3 级 1000 237 102 35 8 ISO4 级 10000 2370 1020 352 83 ISO5 级 100000 23700 10200 3520 832 29 2.4.3 温度、湿度控制要求 为了不受外界环境温差的影响，在待测大口径反射镜需在主机装置百级实验室内放置不低于 24h，以保持实验室和待测光学元件之间的温度平衡，温度一般控制 231。实验室的湿度控制50%的环境内，其目的是避免光学元件表面潮解。大口径反射镜在装校过程中能有效地实时动态控制环境的温、湿度的变化应制定出工艺操作记录卡和质量控制图8。3 3 总总 结结 本文分析了大口径反射镜装校工艺流程以及流程中影响其质量的关键要素，主要包括操作人员控制要求、装校设备操作规范控制要求、装校工艺过程控制要求、以及装校环境控制要求，分别从上述四个方面详细分析和梳理了反射镜装校过程中对装校质量影响的控制要求及保证措施。参考文献参考文献 1 李宏英.简析企业内部控制中人员素质的控制J.中国科技信息,2010(166).2 郑志坚.关于工艺规程J.纸和造纸,1990(54).3 张淑珍.提高工艺管理水平从过程控制抓起/IT、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议C.2010.4 耿岩,王欢,温志英,等.洁净室尘埃粒子多点在线监测分析J.企业技术开发,2015(34).5 赵春海.工艺质量控制的关键问题J.航天工艺,2000(29).6 严德隆,范存养,等.GB/T25915.1-2010 洁净室及相关受控环境第 1 部分空气洁净度等级S.7 陶锂.洁净室的标准与管理J.绿色质量工程,2008(68).8 耿