實(shí)驗(yàn)室大口徑反射鏡面形檢測(cè)的質(zhì)量控制

易聰之，全旭松

（中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng)621900）

實(shí)驗(yàn)室大口徑反射鏡面形檢測(cè)的質(zhì)量控制

易聰之，全旭松

（中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng)621900）

神光-Ⅲ主機(jī)裝置中大口徑光學(xué)元件的面形檢測(cè)的質(zhì)量控制對(duì)激光打靶精度有直接的影響。基于近紅外大口徑相移平面干涉儀測(cè)量反射鏡面形為探討對(duì)象，闡述實(shí)驗(yàn)室反射鏡面形檢測(cè)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制、人員控制、面形檢測(cè)儀器設(shè)備的使用、校準(zhǔn)及維護(hù)、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(duì)檢測(cè)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(cè)提供借鑒與參考。

大口徑反射鏡；面形檢測(cè)；質(zhì)量控制

0 前言

在神光-Ⅲ主機(jī)裝置中，由于每束光路都需經(jīng)過(guò)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(duì)光束質(zhì)量而言非常重要。主機(jī)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(duì)反射鏡面形進(jìn)行檢測(cè)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(cè)量高精度元件透（反）射面形，具有功能強(qiáng)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(cè)量面形儀器都無(wú)法取代的。在測(cè)量面形數(shù)據(jù)分析檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境控制、現(xiàn)場(chǎng)操作人員、面形檢測(cè)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(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，如圖1所示。其中任何步驟存在問(wèn)題都可能對(duì)面形測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致測(cè)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(cè)量的數(shù)據(jù)就無(wú)利用價(jià)值，就不能確保測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性和可比性。

圖1 影響面形數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的因素

1 實(shí)驗(yàn)室的控制

1.1 百級(jí)實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)的控制

神光-Ⅲ主機(jī)裝置精密裝校實(shí)驗(yàn)室的空氣潔凈度要求為100級(jí)，應(yīng)對(duì)檢測(cè)光學(xué)元件面形的環(huán)境采取實(shí)時(shí)監(jiān)控，并做好相應(yīng)的檢測(cè)記錄。而潔凈度的保證是通過(guò)增大換氣次數(shù)來(lái)完成的，潔凈級(jí)別越高，其換氣次數(shù)越多，如10萬(wàn)級(jí)要求換氣次數(shù)應(yīng)≥15次/h，而100級(jí)則要求換氣次數(shù)達(dá)360次/h［1］。然而在這樣的百級(jí)環(huán)境下進(jìn)行面形測(cè)量分析會(huì)產(chǎn)生很大的浮動(dòng)偏差，峰谷值PV浮動(dòng)偏差為50 nm，造成面形測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此解決百級(jí)實(shí)驗(yàn)室的換氣次數(shù)是當(dāng)前刻不容緩的問(wèn)題。應(yīng)在保證潔凈度要求的前提下，適當(dāng)減少百級(jí)實(shí)驗(yàn)室的換氣次數(shù)，以保證測(cè)量面形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在檢測(cè)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(cè)工作質(zhì)量。

1.2 濕度的控制

存放在百級(jí)實(shí)驗(yàn)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(shí)，光學(xué)元件大口徑反射鏡局部表面就會(huì)出現(xiàn)少量的麻點(diǎn)、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(shí)驗(yàn)室和待測(cè)大口徑反射鏡元件的溫差直接影響面形測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)致面形小角度漂移，存在一定的檢測(cè)誤差，可導(dǎo)致系統(tǒng)連接CCD圖像不清晰，影響測(cè)試面形的質(zhì)量。測(cè)量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)很多不必要的麻煩，所以被接收的測(cè)試元件大口徑反射鏡需在百級(jí)實(shí)驗(yàn)室中至少放置24 h，以降低實(shí)驗(yàn)室和待測(cè)元件之間的溫差，從而獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(cè)量值，選用近紅外大口徑相移平面干涉儀。這是一臺(tái)極為精密的儀器，測(cè)量的環(huán)境條件也十分苛刻，檢測(cè)面形數(shù)據(jù)時(shí)人員在儀器周圍的走動(dòng)，或風(fēng)淋門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉都會(huì)對(duì)測(cè)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(shí)值的測(cè)量值。在進(jìn)入百級(jí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)測(cè)量面形的工作人員最好控制在5～6個(gè)。

2.2 人員的培訓(xùn)

檢測(cè)結(jié)果是通過(guò)檢測(cè)操作人員獲得的，檢測(cè)人員的技能水平、對(duì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)設(shè)備儀器操作流程的理解及掌握程度，都直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性［4］，因此，對(duì)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(duì)設(shè)備的理論基礎(chǔ)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行了解和認(rèn)識(shí)，以便更好地掌握設(shè)備儀器的使用安全操作流程?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員可通過(guò)理論與實(shí)操相結(jié)合的方式進(jìn)行考試，以取得相應(yīng)的上崗設(shè)備操作證。

2.3 人員檢測(cè)

檢測(cè)數(shù)據(jù)的好壞是影響測(cè)量面形結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性的第一因素［2］，這對(duì)工作人員知悉測(cè)量?jī)x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(duì)檢測(cè)面形數(shù)據(jù)等，是非常必要的。

3 檢測(cè)面形儀器設(shè)備性能

3.1 設(shè)備使用

實(shí)驗(yàn)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(guò)考核后取得相應(yīng)的上崗操作證。測(cè)量結(jié)束后，首先做好運(yùn)行測(cè)量?jī)x器設(shè)備的記錄，包括測(cè)量的時(shí)間、測(cè)量工作環(huán)境、工作內(nèi)容、運(yùn)行狀態(tài)、操作人員等內(nèi)容；其次要做好工作現(xiàn)場(chǎng)的清理工作，關(guān)閉測(cè)量?jī)x器設(shè)備的電源、氣源及水源，整理測(cè)量?jī)x器設(shè)備的使用工具并將運(yùn)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(cè)量設(shè)備及各種計(jì)量器具是檢測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也會(huì)影響到對(duì)光學(xué)元件面形質(zhì)量的評(píng)判[3]。所以，測(cè)量設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)是必不可少的。計(jì)量校準(zhǔn)是衡量設(shè)備測(cè)量質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)，是測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性、真實(shí)性的有力依據(jù)，應(yīng)定期對(duì)測(cè)量設(shè)備和計(jì)量器具進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后需標(biāo)定3種標(biāo)識(shí)，即“合格”（綠色），滿足設(shè)備指標(biāo)要求；“限用”（藍(lán)色），設(shè)備部分指標(biāo)不合格，但不影響使用；“報(bào)廢”（紅色），設(shè)備指標(biāo)不能達(dá)到要求，已影響正常使用，應(yīng)停止使用并封存。對(duì)于特殊的測(cè)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(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測(cè)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(cè)量，使用大口徑近紅外相移平面干涉儀時(shí)應(yīng)注意以下2點(diǎn)：

（1）為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需開(kāi)機(jī)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(diǎn)要完全接觸氣浮平臺(tái)，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(yùn)行，也能增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集圖像的清晰度。

3.3 設(shè)備維護(hù)

對(duì)于引進(jìn)的高技術(shù)設(shè)備，在使用過(guò)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(hù)好壞直接影響設(shè)備測(cè)量精度和使用壽命。因此，需定期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備添加潤(rùn)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(shí)驗(yàn)室對(duì)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(fù)責(zé)人需對(duì)光學(xué)元件表面狀態(tài)進(jìn)行記錄，如光學(xué)元件的種類、編號(hào)、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(shuō)明或注釋。使用光學(xué)元件和接收檢驗(yàn)光學(xué)元件表面質(zhì)量的人員，需對(duì)光學(xué)元件表面狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)簽字并記錄檢驗(yàn)時(shí)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(shí)夾持應(yīng)力面形的要求，從而達(dá)到光學(xué)元件全流程閉環(huán)潔凈控制與表面狀態(tài)全過(guò)程（接收、清洗、檢測(cè)、裝校、調(diào)試、轉(zhuǎn)運(yùn)）跟蹤的目的。

4.2 光學(xué)元件的分類存放

對(duì)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(duì)光學(xué)元件的類型進(jìn)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(hào)為（A6S2TM6k9-56-0058-S-TM63-0001-FO）。對(duì)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(hù)夾具上，并豎立垂直于光學(xué)平臺(tái)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(jī)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(duì)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(jìn)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(jìn)行清洗，然后進(jìn)行清洗潔凈度實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)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(shí)可采用暗場(chǎng)人工擦拭法，利用高純度乙醇等化學(xué)溶劑實(shí)現(xiàn)快速脫水，清除元件表面污染物，達(dá)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(cè)分析儀分析出污染物由哪些有機(jī)物組成，再通過(guò)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(guò)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(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，光學(xué)元件表面會(huì)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(huì)越來(lái)越精確，所面對(duì)的光學(xué)元件尺寸會(huì)越來(lái)越大。在復(fù)雜、特定的有限空間條件下，主機(jī)裝置神光-Ⅲ在線潔凈清洗技術(shù)，大多數(shù)采用風(fēng)刀來(lái)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(guò)風(fēng)刀極窄寬度的出風(fēng)口（50 μm）產(chǎn)生快速氣流的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用快速氣流的動(dòng)力來(lái)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(guò)潔凈處理后，利用密封性良好的潔凈轉(zhuǎn)運(yùn)箱進(jìn)行傳遞或轉(zhuǎn)運(yùn)，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(yùn)箱內(nèi)部安放固定的支撐夾具，以起到安全、平穩(wěn)和保護(hù)的作用。

5 結(jié)論

測(cè)量面形數(shù)據(jù)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差，而降低檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的精確性和可靠性。對(duì)于面形測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量控制，應(yīng)當(dāng)從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫濕度條件的控制、現(xiàn)場(chǎng)操作人員技術(shù)的控制、面形檢測(cè)儀器設(shè)備后期的校準(zhǔn)與維護(hù)的控制、光學(xué)元件反射鏡后期質(zhì)量控制等4大因素進(jìn)行嚴(yán)格管理，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可效性。

［1］高海海.百級(jí)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量控制［J］.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2015.

［3］吳躍鋒.淺談檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(lè).淺談實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制與管理［J］.內(nèi)蒙古石油化，2014.

［5］國(guó)洪軍.實(shí)驗(yàn)室測(cè)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