CN100424945C - 热补偿可控波相差复合微变形镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热补偿可控波相差复合微变形镜。它包括镜体、快速热量抽运装置、吸热装置、镜架和控制器；镜架上由下至上依次安装有吸热装置、快速热量抽运装置和镜体，镜体由加热装置和镜子组成，镜子的镜面面向激光辐照区，加热装置位于非激光辐照区；控制器通过镜架上的电缆接口与加热装置和快速热量抽运装置相连，控制加热装置的发热时间和发热功率、以及快速热量抽运装置的抽运速度和能量。本发明克服了野外移动平台装载长时间连续工作的高能激光器无法用水冷却的困难，同时解决了目前各种全反射镜冷却方式不足的问题。本发明采用热补偿和热抽运非常有效地控制镜面热畸变的大小，控制镜面波相差，并且其结构简单，使用方便。
Description
技术领域
本发明属于激光光学谐振腔技术，具体涉及一种热补偿可控波相差复合微变形镜，本发明主要用于不方便水冷场合的高能激光器光学谐振腔和光学链。
背景技术
激光光学谐振腔由于吸收激光能量不均匀，导致镜面温度不均匀(如图1所示)，造成镜面面型变形，引起激光波阵面畸变，造成输出光束质量和稳定性下降。随着激光功率越来越高，这个问题越来越突出。对于脉冲激光，由于激光器的平均功率越来越高，单脉冲能量越来越大，激光腔镜短时间内承受的热也越来越大，产生的不均匀热变形和相位畸变更为严重。因此，减少镜面的不均匀热变形是高功率激光技术中的关键技术。目前主要从三个方面来降低镜面的不均匀热畸变：选择合适的基底材料，使得镜面在吸收同样的能量下，热变形最小；镀制高反膜，降低镜面对激光的吸收；采用主动冷却技术，降低镜面的温升。镜体材料的选择受限于材料的物理性能、光学加工性能和机械性能，仅仅采用优化基体材料的单一方法已不能满足高能激光对高光束质量的特殊要求；提高镜面的反射率是非常有效的一种手段，目前反射率已经达到99.99％的工艺极限，但仍不能解决日益增长的高能激光器存在镜面畸变的难题；所以，采用主动冷却的第三种方法已成为解决高能激光镜面变形的希望。
水冷一直是高功率激光器常用的主动冷却方案，关于水冷镜的研究主要集中在镜体结构方面，现已在工业界室内场合下广泛引用。通常的水冷镜都是采用水作为冷却介质，对镜子整体进行冷却，导走镜面吸收的激光能量，从而抑制镜子温升，降低热变形。但是这种镜子整体全面水冷的方法有时达不到使用要求，由于镜子总是大于激光辐照区，激光辐照区与镜面非激光辐照区、镜面与背面之间还是存在温度梯度，因而仍然会产生翘曲变形(如图2所示)。采用降低镜子温度梯度而降低镜面不均匀变形的方法，国际上也已有专利。Russell等人采用在激光辐照面用流体冷却，降低镜面温升；而在激光辐照背面采用加热流体，提高镜子背面温度的方法来降低镜子的温度梯度，从而降低镜面变形(US Patent 4253739)；Armier等人(US Patent2005/0002434A1)在此基础上加以改进，省掉了加热的电阻丝，而在流道结构上加以改善，即将通过激光辐照区的流体引入镜子的侧面和背面，利用流体的释放热量来加热镜子的侧面和背面，从而降低镜子的温度梯度。但是采用这种水冷镜对于在野外工作不具备冷却水等场合是不适合的，特别是车载和机载等激光武器场合。
1991年，美国技术公司的John Bluege和Lake Park等人发明了“固-液相变冷却镜”(U.S.Patent 5076348)。该发明采用了超薄镜结构，但基体材料不是铜，而是光学加工性能优良的硅；也采用了主动冷却技术，但不需附加冷却系统，仅仅依靠储存于镜腔内相变材料的相变吸热过程达到冷却目的。他们研制的相变致冷硅镜，镜体尺寸为100mm×100mm，镜面厚度仅1.5mm，当镜面反射率为99.9％时，在1MW强激光辐射下，镜面热变形量为0.05μm，一次连续工作时间可达47s，基本上能满足百万瓦级氧碘化学激光器对全反腔镜的技术要求。程祖海等人也相继发明了“相变致冷超薄多层镜”，“相变致冷窗口”(中国发明专利号：ZL95124931.2，ZL98109199.X)，其原理都是采用物质相变吸热而降低镜面和窗口的温升。通常相变物质采用相变点在25～30℃的物质，如石蜡、金属稼等。该类镜子在强激光作用下已显示出如下问题：相变物质的温度是一定的，难以适应多变的气温；相变物质的导热不够快，当紧挨镜体固体基体边沿的相变物质熔化后，离基体较远的相变物质熔化较慢，难以满足高功率激光特别是脉宽越来越窄的高功率脉冲激光的要求；为了存储相变物质，通常是在基体材料内激光辐照的背面打孔或者切槽来实现，由于加工工艺的限制，相变物质的存量有限，无法满足越来越高的激光功率和越来越长的激光作用时间。
还有一种方法是采用复合材料的方法，利用材料的热胀冷缩系数不一样来降低镜面变形(US Patent 3609589)。典型的是镜子背面材料的热胀冷缩系数大于镜面的，这样在激光作用下，虽然镜面的温升比背面温升大，但产生的热变形则是一样的。这种方法理论上可行，实际中则难以调节，特别是当激光功率的变化时，镜面和背面的温度差发生改变，起不到预想的效果。
另外一种方法是采用半导体制冷片来抽运镜子所吸收的激光能量，研究表明，该方法能够有效降低镜子的温升，但是对降低镜面面型畸变则无能为力。
Friede等人(US Patent 5751750)采用从镜子背面和前面区域加热的办法来保持镜面的面型。如果采用背面加热的办法，则加热区域与激光辐照区域一样大，功率一样，以减少镜子在沿激光方向的温度梯度，从而减少变形。这种方法对于使用时间较短的镜子来说是有用的，但是对于高强激光或者作用时间较长的激光来说，镜子的总体温升很大，会带来材料性能的下降甚至膜层脱落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热补偿可控波相差复合微变形镜，该复合微变形镜可以在保持镜体一定温度下减小镜面的不均匀变形，还可以控制镜面波相差。
本发明提供的一种热补偿可控波相差复合微变形镜，其特征在于：它包括镜体、快速热量抽运装置、吸热装置、镜架和控制器；镜架上由下至上依次安装有吸热装置、快速热量抽运装置和镜体，镜体由加热装置和镜子组成，镜子的镜面面向激光辐照区，加热装置位于非激光辐照区；控制器与加热装置相连，控制加热装置的发热时间和发热功率；控制器与快速热量抽运装置相连，控制快速热量抽运装置的抽运速度和能量。
本发明克服了野外移动平台装载长时间连续工作的高能激光器无法用水冷却的困难，同时解决了目前各种全反射镜冷却方式不足的问题。激光器工作时，镜面辐照区由于吸收激光能量产生温度升高，与非辐照区形成温度梯度，此时位于激光非辐照区的加热装置工作，使得激光非辐照区的温度与激光辐照区同步升高，从而抑制镜体的温度梯度，来达到减少及控制镜面面型变形和波相差的目的。在激光停止辐照时，快速热量抽运装置工作，将镜体增加的热量快速抽运给吸热装置，从而限制镜体的整体温升，使整个镜体的温升保持在设定温度水平。本发明复合微变形镜结构简单，操作方便，当高能激光连续工作时间和累计工作次数不太多时，可以非常有效地控制镜面热畸变的大小，从而控制波相差。
附图说明
图1是镜面在激光的辐照下产生不均匀变形造成波相差；
图2是水冷镜由于存在温度梯度仍然产生翘曲变形；
图3是本发明热补偿可控波相差复合微变形镜的结构示意图；
图4是图3中镜体的结构示意图；
图5是热补偿可控波相差复合微变形镜的工作流程图；
图6是用ANSYS有限元工程设计软件模拟的效果图。
具体实施方式
在激光辐照下，镜面由于热吸收温升而膨胀，由于激光辐照面、侧面和背面的温度升高不同，产生弯曲。如果在激光的非辐照区和背面加热(加热量与激光功率有关，可人为控制)，则可以降低、乃至消除整个镜体温度梯度，从而抑制镜面面型畸变。本发明基于上述原理设计而成，下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图3所示，本发明提供的复合微变形镜包括镜体1、快速热量抽运装置2、吸热装置3、镜架4和控制器5。
镜架4上由下至上依次安装有吸热装置3、快速热量抽运装置2和镜体1，镜体1由加热装置和镜子6组成，镜子6的镜面面向激光辐照区。
镜架4上装有电缆接口，该电缆接口的一端与加热装置中的发热元件8和快速热量抽运装置2相连，另一端通过电缆与控制器5相连。控制器5用于控制加热装置的发热时间和发热功率，并控制快速热量抽运装置2的抽运速度和能量。
如图4所示，镜体1包括镜子6和加热装置二部分。镜子6采用硅(Si)、铜(Cu)或钼(Mo)等导热快、强度高的材料，并经光学抛光镀膜，形成镜面，镜面面向激光辐照区。加热装置由发热元件8和导热剂7组成，发热元件8位于导热剂7中。加热装置置于激光非辐照区，如镜面的背面或边缘，并与镜面密封成一体。发热元件8可以是基于电加热方式的任何加热装置，如电阻丝、电热片等。导热剂7包括任何可以均匀快速导热并具有良好填充性能的物质，如金属粉末、陶瓷粉末、金属液体以及其他能快速导热的液体气体等。加热装置可以分区设置，由控制器可以控制其工作区域大小、加热速度和时间。
加热装置可以在激光辐照时加热镜子的非辐照区，拉平镜子的温度梯度，从而控制镜子的温度梯度和镜面波相差。
快速热量抽运装置2用于快速抽运镜面吸收的激光能量和加热装置带来的能量，抑制镜面和镜子的温升。它由半导体制冷片或热管等构成，控制器5控制其工作时间和抽运方向。半导体制冷片或热管也可以分区设置，控制器5控制热管或半导体制冷片的工作数量。
吸热装置3可以在激光不工作时，吸收快速热量抽运装置2抽运来的镜体的能量，从而控制镜子的整体温升。吸热装置3可以是杜瓦、热容池或者制冷机。热容池内装有相变潜热大、相变温度在30～60℃的相变物质。当快速热量抽运装置2工作时，将热量快速导入到装满相变潜热极大的热容池或杜瓦，热容池内的相变物质或杜瓦吸热熔化或气化，吸收大量热能，在相变物质没有完全熔化或气化的前提下，镜子6的温度保持恒定。也可以采用制冷机直接制冷，使镜子6的温度保持恒定。
控制器5可以采用单片机或程序控制器(PLC)等实现。
下面根据图5说明本发明热补偿可控波相差复合微变形镜的工作流程。
激光器工作时，镜子6的辐照区由于吸收激光能量产生温度升高，与非辐照区形成温度梯度，加热装置加热镜子的非辐照区，同步拉平激光非辐照区与辐照区的温度，降低镜面和镜子的温度梯度。
当激光脉冲过后或者激光停止辐照时，快速热量抽运装置2工作，将镜体1的储热导走，由吸热装置3吸收快速热量抽运装置2抽运的热量。
通过控制快速热量抽运装置2和吸热装置3的工作参数，镜子的温度在一个脉冲间隔或使用循环间隔内可以回复到激光辐照前的温度(通常是环境温度)，从而使得激光腔镜在长时间工作时保持温度、镜子6面型和波相差恒定，以便再次投入使用，。
采用ANSYS有限元工程设计软件模拟，本发明的仿真效果如图6所示，控制热输入的大小可以达到控制镜面热畸变的大小，从而控制波相差。
Claims (4)
1. 一种热补偿可控波相差复合微变形镜，其特征在于：它包括镜体(1)、快速热量抽运装置(2)、吸热装置(3)、镜架(4)和控制器(5)；
镜架(4)上由下至上依次安装有吸热装置(3)、快速热量抽运装置(2)和镜体(1)，镜体(1)由加热装置和镜子(6)组成，镜子(6)的镜面面向激光辐照区，加热装置位于非激光辐照区；
控制器(5)与加热装置相连，控制加热装置的发热时间和发热功率；控制器(5)与快速热量抽运装置(2)相连，控制快速热量抽运装置(2)的抽运速度和能量。
2. 根据权利要求1所述的复合微变形镜，其特征在于：所述加热装置由发热元件(8)和导热剂(7)组成，发热元件(8)位于导热剂(7)中。
3. 根据权利要求1或2所述的复合微变形镜，其特征在于：所述快速热量抽运装置(2)由半导体制冷片或热管构成。
4. 根据权利要求3所述的复合微变形镜，其特征在于：吸热装置(3)为杜瓦、热容池或者制冷机。
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