易聰之，全旭松

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽621900）

實驗室大口徑反射鏡面形檢測的質(zhì)量控制

易聰之，全旭松

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽621900）

神光-Ⅲ主機裝置中大口徑光學(xué)元件的面形檢測的質(zhì)量控制對激光打靶精度有直接的影響?；诮t外大口徑相移平面干涉儀測量反射鏡面形為探討對象，闡述實驗室反射鏡面形檢測過程中的實驗室環(huán)境控制、人員控制、面形檢測儀器設(shè)備的使用、校準(zhǔn)及維護、光學(xué)元件反射鏡后期質(zhì)量控制等因素，并分析各因素對檢測數(shù)據(jù)的精確性、可靠性的影響，為后續(xù)光學(xué)元件面形檢測提供借鑒與參考。

大口徑反射鏡；面形檢測；質(zhì)量控制

0 前言

在神光-Ⅲ主機裝置中，由于每束光路都需經(jīng)過多塊反射鏡的反射，大口徑反射鏡作為光傳輸重要元器件，其面形控制對光束質(zhì)量而言非常重要。主機裝置中共有276塊反射鏡，它們的面形畸變將嚴(yán)重影響高效3倍頻和焦斑形態(tài)，因此，對反射鏡面形進行檢測與控制是極為重要的。常用的近紅外大口徑相移平面干涉儀用于測量高精度元件透（反）射面形，具有功能強大的數(shù)據(jù)處理軟件，包括峰谷值PV、均方根RMS、Zemike系統(tǒng)等，可分析二維和三維波面圖形等數(shù)據(jù)圖像，是任何測量面形儀器都無法取代的。在測量面形數(shù)據(jù)分析檢測過程中，實驗室的環(huán)境控制、現(xiàn)場操作人員、面形檢測儀器設(shè)備性能、反射鏡光學(xué)元件后期質(zhì)量控制等4大因素會影響檢測結(jié)果，如圖1所示。其中任何步驟存在問題都可能對面形測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差［2］。質(zhì)量控制是質(zhì)量保證的重要組成部分［5］，如果質(zhì)量保證不了，測量的數(shù)據(jù)就無利用價值，就不能確保測量數(shù)據(jù)的真實性、可靠性和可比性。

圖1 影響面形數(shù)據(jù)測量結(jié)果的因素

1 實驗室的控制

1.1 百級實驗室換氣次數(shù)的控制

神光-Ⅲ主機裝置精密裝校實驗室的空氣潔凈度要求為100級，應(yīng)對檢測光學(xué)元件面形的環(huán)境采取實時監(jiān)控，并做好相應(yīng)的檢測記錄。而潔凈度的保證是通過增大換氣次數(shù)來完成的，潔凈級別越高，其換氣次數(shù)越多，如10萬級要求換氣次數(shù)應(yīng)≥15次/h，而100級則要求換氣次數(shù)達360次/h［1］。然而在這樣的百級環(huán)境下進行面形測量分析會產(chǎn)生很大的浮動偏差，峰谷值PV浮動偏差為50 nm，造成面形測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此解決百級實驗室的換氣次數(shù)是當(dāng)前刻不容緩的問題。應(yīng)在保證潔凈度要求的前提下，適當(dāng)減少百級實驗室的換氣次數(shù)，以保證測量面形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在檢測光學(xué)元件面形的環(huán)境中內(nèi)應(yīng)保證充足的能源、采光、采暖、通風(fēng)等條件，從而有利于保證檢測工作質(zhì)量。

1.2 濕度的控制

存放在百級實驗室的大口徑反射鏡光學(xué)元件的濕度應(yīng)＜50%，如果濕度偏高時，光學(xué)元件大口徑反射鏡局部表面就會出現(xiàn)少量的麻點、霉斑等，可導(dǎo)致光學(xué)元件大口徑反射鏡表面質(zhì)量和光學(xué)性能的降低。

1.3 溫度的控制

實驗室和待測大口徑反射鏡元件的溫差直接影響面形測試結(jié)果，導(dǎo)致面形小角度漂移，存在一定的檢測誤差，可導(dǎo)致系統(tǒng)連接CCD圖像不清晰，影響測試面形的質(zhì)量。測量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，會給測量工作帶來很多不必要的麻煩，所以被接收的測試元件大口徑反射鏡需在百級實驗室中至少放置24 h，以降低實驗室和待測元件之間的溫差，從而獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實驗的環(huán)境溫度應(yīng)保持在23±1℃。

2 人員的控制

2.1 人員數(shù)量的控制

為了更精準(zhǔn)地得到面形分析測量值，選用近紅外大口徑相移平面干涉儀。這是一臺極為精密的儀器，測量的環(huán)境條件也十分苛刻，檢測面形數(shù)據(jù)時人員在儀器周圍的走動，或風(fēng)淋門開啟、關(guān)閉都會對測量面形數(shù)值有很大的影響。只有控制好外部條件，才能更有利于獲得接近真實值的測量值。在進入百級實驗室環(huán)境內(nèi)測量面形的工作人員最好控制在5～6個。

2.2 人員的培訓(xùn)

檢測結(jié)果是通過檢測操作人員獲得的，檢測人員的技能水平、對檢測標(biāo)準(zhǔn)和對設(shè)備儀器操作流程的理解及掌握程度，都直接影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性［4］，因此，對于不同的設(shè)備儀器，操作人員必須接受上崗前的培訓(xùn)。對設(shè)備的理論基礎(chǔ)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局進行了解和認識，以便更好地掌握設(shè)備儀器的使用安全操作流程。現(xiàn)場檢測人員可通過理論與實操相結(jié)合的方式進行考試，以取得相應(yīng)的上崗設(shè)備操作證。

2.3 人員檢測

檢測數(shù)據(jù)的好壞是影響測量面形結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性的第一因素［2］，這對工作人員知悉測量儀器的工作性能和掌握技術(shù)操作能力，提出了更高的要求。做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，整理與核對檢測面形數(shù)據(jù)等，是非常必要的。

3 檢測面形儀器設(shè)備性能

3.1 設(shè)備使用

實驗室的操作人員在使用儀器設(shè)備之前，必須接受專業(yè)人員的安全操作培訓(xùn)，掌握設(shè)備儀器的工作原理和工作性能，經(jīng)過考核后取得相應(yīng)的上崗操作證。測量結(jié)束后，首先做好運行測量儀器設(shè)備的記錄，包括測量的時間、測量工作環(huán)境、工作內(nèi)容、運行狀態(tài)、操作人員等內(nèi)容；其次要做好工作現(xiàn)場的清理工作，關(guān)閉測量儀器設(shè)備的電源、氣源及水源，整理測量儀器設(shè)備的使用工具并將運行記錄本擺放整齊；最后清理設(shè)備表面的灰塵。

3.2 設(shè)備校準(zhǔn)

測量設(shè)備及各種計量器具是檢測工作中最基本的工具，它們的完好程度和準(zhǔn)確度將直接影響檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時也會影響到對光學(xué)元件面形質(zhì)量的評判[3]。所以，測量設(shè)備的計量校準(zhǔn)是必不可少的。計量校準(zhǔn)是衡量設(shè)備測量質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)，是測量數(shù)據(jù)可靠性、真實性的有力依據(jù)，應(yīng)定期對測量設(shè)備和計量器具進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后需標(biāo)定3種標(biāo)識，即“合格”（綠色），滿足設(shè)備指標(biāo)要求；“限用”（藍色），設(shè)備部分指標(biāo)不合格，但不影響使用；“報廢”（紅色），設(shè)備指標(biāo)不能達到要求，已影響正常使用，應(yīng)停止使用并封存。對于特殊的測量設(shè)備，可以使用設(shè)備自身附件或有合格證的標(biāo)準(zhǔn)元件對測量儀器進行校準(zhǔn)，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也為設(shè)備使用者提供方便。

為了更有利于測量，使用大口徑近紅外相移平面干涉儀時應(yīng)注意以下2點：

（1）為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，需開機預(yù)熱20 min。

（2）大口徑近紅外相移平面干涉儀底部的氣浮墊子支撐點要完全接觸氣浮平臺，以保證設(shè)備儀器的平穩(wěn)性。不僅可確保儀器的穩(wěn)定運行，也能增強數(shù)據(jù)采集圖像的清晰度。

3.3 設(shè)備維護

對于引進的高技術(shù)設(shè)備，在使用過程中操作人員應(yīng)定期檢查設(shè)備內(nèi)部零件，按零件的磨損程度決定是否需要更換。設(shè)備的維護好壞直接影響設(shè)備測量精度和使用壽命。因此，需定期對現(xiàn)場運行設(shè)備添加潤滑劑，并做好保養(yǎng)記錄。

4 光學(xué)元件反射鏡后期質(zhì)量控制

實驗室對大口徑反射鏡光學(xué)元件接收、分類存放、傳輸和處理都要有嚴(yán)格的管理制度，以確保反射鏡光學(xué)元件不受污染，不受損壞和保持原有的狀態(tài)。

4.1 光學(xué)元件的接收

接收光學(xué)元件的負責(zé)人需對光學(xué)元件表面狀態(tài)進行記錄，如光學(xué)元件的種類、編號、數(shù)量、安裝位置和光學(xué)元件表面的狀態(tài)（氣泡、劃痕、崩角）等，可以在元件出光面的位置、形狀和大小用圖形的方式加以說明或注釋。使用光學(xué)元件和接收檢驗光學(xué)元件表面質(zhì)量的人員，需對光學(xué)元件表面狀態(tài)進行確認簽字并記錄檢驗時間，以確保其保持光學(xué)元件原有的初始狀態(tài)，能滿足裝校時夾持應(yīng)力面形的要求，從而達到光學(xué)元件全流程閉環(huán)潔凈控制與表面狀態(tài)全過程（接收、清洗、檢測、裝校、調(diào)試、轉(zhuǎn)運）跟蹤的目的。

4.2 光學(xué)元件的分類存放

對接收的光學(xué)元件要專人嚴(yán)格管理，為防止混淆或誤用，應(yīng)對光學(xué)元件的類型進行歸類，并在顯注位置標(biāo)注大紅字為“待檢”、“在檢”、“已檢”等字樣[3]。把不同類型的反射鏡光學(xué)元件分別存放，擺放整齊。例如，A6束組反射鏡南路2的位置及光學(xué)元件反射鏡序列編號為（A6S2TM6k9-56-0058-S-TM63-0001-FO）。對于特殊的光學(xué)元件的存放，如2倍頻晶體、3倍頻晶體及光柵等，可將其放置在固定的保護夾具上，并豎立垂直于光學(xué)平臺上，為了提高光學(xué)元件的安全性，避免受到損壞，應(yīng)用紅色警示安全帶將其隔離存放。

4.3 光學(xué)元件的處理

（1）主機裝置神光-Ⅲ的光學(xué)元件有很多種類，如隔板玻璃、3倍頻熔石英元件、釹玻璃、介質(zhì)膜元件及其他各種光學(xué)元件等。對于不同的元件要根據(jù)其污染物的類型和受污染的程度，如低度污染、中度污染和重度污染進行潔凈處理方式分析，首先根據(jù)污染情況采用不同的清洗方式（人工擦拭、等離子清洗、超聲波光學(xué)清洗、化學(xué)清洗、激光清洗等）進行清洗，然后進行清洗潔凈度實驗分析驗證、總結(jié)，最后采取最有效、快捷的潔凈處理方式。

（2）光學(xué)元件表面的手指印是容易擦試清洗掉的污染物，屬于低度污染，所污染的面積較小時可采用暗場人工擦拭法，利用高純度乙醇等化學(xué)溶劑實現(xiàn)快速脫水，清除元件表面污染物，達到表面潔凈的預(yù)期效果；光學(xué)元件表面的頑固油漬是不容易清洗掉的污染物，屬于較重污染，可攝取一些鏡面的污染物，利用檢測分析儀分析出污染物由哪些有機物組成，再通過人工除去表面的重性污染物。通常采用快速酸洗潔凈處理，先浸泡5 min，再利用大量高純水及40 kHz～270 kHz的光學(xué)元件超聲波清洗，光學(xué)元件依次通過清洗、漂洗、精洗、噴淋、干燥等一系列流程，可以有效潔凈光學(xué)元件的表面。

（3）大型的光學(xué)元件通光表面膜層為單層或多層的介質(zhì)膜，如3倍頻熔石英元件、變形鏡、反射鏡等。在運輸?shù)倪^程中，光學(xué)元件表面會覆蓋一些顆粒物的雜質(zhì)，如表面的灰塵、手指印和油污等。隨著科技技術(shù)的高速發(fā)展，能量打靶的技術(shù)指標(biāo)會越來越精確，所面對的光學(xué)元件尺寸會越來越大。在復(fù)雜、特定的有限空間條件下，主機裝置神光-Ⅲ在線潔凈清洗技術(shù)，大多數(shù)采用風(fēng)刀來處理光學(xué)元件大口徑反射鏡表面污漬，在線潔凈處理系統(tǒng)主要根據(jù)高壓氬氧混合氣體，經(jīng)過風(fēng)刀極窄寬度的出風(fēng)口（50 μm）產(chǎn)生快速氣流的運轉(zhuǎn)，利用快速氣流的動力來克服顆粒污染物與光學(xué)元件反射鏡表面粘力，從而將其去除。

4.4 光學(xué)元件的傳輸

光學(xué)元件大口徑反射鏡經(jīng)過潔凈處理后，利用密封性良好的潔凈轉(zhuǎn)運箱進行傳遞或轉(zhuǎn)運，可降低光學(xué)元件表面2次污染的概率。由于光學(xué)元件大口徑反射鏡面積為610×4400 mm，屬大型光學(xué)元件，可在潔凈轉(zhuǎn)運箱內(nèi)部安放固定的支撐夾具，以起到安全、平穩(wěn)和保護的作用。

5 結(jié)論

測量面形數(shù)據(jù)的過程中會產(chǎn)生一定的測量誤差，而降低檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的精確性和可靠性。對于面形測量結(jié)果的質(zhì)量控制，應(yīng)當(dāng)從實驗室環(huán)境溫濕度條件的控制、現(xiàn)場操作人員技術(shù)的控制、面形檢測儀器設(shè)備后期的校準(zhǔn)與維護的控制、光學(xué)元件反射鏡后期質(zhì)量控制等4大因素進行嚴(yán)格管理，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可效性。

［1］高海海.百級潔凈室通風(fēng)設(shè)備選型探討［J］.山西建筑，2007，33（36）.

［2］楊紅.淺談化學(xué)檢測實驗室的質(zhì)量控制［J］.現(xiàn)代測量與實驗室管理，2015.

［3］吳躍鋒.淺談檢測實驗室的質(zhì)量控制［J］.湖南林業(yè)科技，2007，6.

［4］魏俊平，呼格吉樂.淺談實驗室質(zhì)量控制與管理［J］.內(nèi)蒙古石油化，2014.

［5］國洪軍.實驗室測量質(zhì)量保證與質(zhì)量控制研究［J］.北方環(huán)境，2013.

〔編輯 王永洲〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.08