CN102856779A

CN102856779A - 一种微孔金属冷却镜及其制作方法

Info

Publication number: CN102856779A
Application number: CN2012103335099A
Authority: CN
Inventors: 朱海红; 何崇文; 胡攀攀
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开了一种微孔金属冷却镜及其制作方法，冷却镜包括镜体和镜架，镜体包括通过钎焊连接成一体的镜面和泡沫金属微孔层，镜架有至少二个进出液体通道，镜架位于泡沫金属微孔层的后面，并与镜体紧密连接。通过钎焊技术直接将镜面与泡沫金属材料进行钎焊连接，使冷却液体能够在泡沫金属材料中循环流动，从而实现对镜面的冷却，降低镜面温升和变形。本发明成功的在镜面上得到了均匀和可控的微孔冷却层，从而抑制了镜面面型的畸变过大，同时克服了在钎焊时泡沫金属与镜面材料难以焊接的问题，使熔化的钎料在毛细力的作用下适当的进入泡沫金属材料的底层，减少了与镜面基底之间的接触热阻。钎焊技术直接制作微孔金属冷却镜方法简单，易于操作。

Description

一种微孔金属冷却镜及其制作方法

技术领域

本发明属于激光光学谐振腔领域，具体涉及一种微孔金属冷却镜及其制作方法，主要用于高功率密度和面型要求较高的高能激光器光学谐振腔和光学链。

背景技术

激光光学谐振腔腔镜和光学链中的反射镜由于吸收激光能量，导致镜面温升，造成镜面面型改变，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。因此，减少镜面的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热畸变：选择合适的基底材料和装夹方式，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，但反射率的提高受限于镀膜材料和镀膜工艺，无法短期内大幅度提高。目前激光反射镜的反射率已经相当高，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，也是最常用的方法。

采用液体冷却(通常采用水)一直是高功率激光器常用的主动冷却方案，液体冷却镜已经得到了广泛应用。常规的液体冷却镜结构如图1所示，由镜面1、流槽层5和镜架4组成。镜面1与流槽层5通过钎焊或者其他连接方法连接成一体。镜面1包含二个面：激光福照面6和背面7。在激光辐射下，激光福照面6吸收热量，通过热传导造成整个镜体温升；流槽层5的流槽是液体流动通道，冷却液体通过流槽时通过热传导和热对流带走镜面1吸收的热量，从而抑制镜子温升，降低热变形。镜架4通常包含至少二个液体通道口8，镜架4为整个镜子提供支撑以及为流槽层5提供进出液体通道口。液体冷却镜的换热效果与液体种类、液体流量和流槽的结构形状有关。液体种类通常受液体的物理性能和价格限制，能采用的种类有限，常用的液体有水、导热防冻防锈液，其中水以价廉、热容大得到了广泛的应用。液体流量大，可以得到大的雷诺数，得到有益于换热的流动方式和大的换热系数。但是大的液体流量会对镜面带来冲击，从而带来附加变形。所以液体流量在实际使用中有一定限制。因此在实际液体冷却不变形镜的研制中，合适的流槽结构形状一直是提高液冷镜换热效果的主要方法。合适的流槽形状，在液体种类和流量一定时，不仅可以得到大的换热系数而且可以提高换热面积，此外还有可能改变流体的流动状态，从而增大换热效果，带走更多的热量，降低镜面的热变形。

受制于加工条件，流槽的形状通常为矩形、圆柱型以及半圆形。过去的研究表明：流槽越窄，换热效果越好。常规液体冷却镜液体流槽现都是采用机械加工的方法来制作。由于机加工水平的限制，其流槽的宽度通常在mm量级，这种宽度的水冷镜由于流槽宽，对于高功率激光，为增大换热系数，需要的水流量大，大流量水对镜面造成冲击从而使得镜面发生冲击变形；此外该种水冷镜由于换热面积有限，换热效果较差，因而有时会达不到使用要求，特别是对于越来越大功率的激光。

微流槽和微孔水冷镜具有高传热系数、高表面积/体积比、低传热温差、低流动阻力等特点，此外微孔微流槽由于存在微尺度效应以及微扰动引起的附加换热作用，可以大大增强换热效果，因此其效率高，性能优于常规水冷镜，在激光功率越来越来高的今天得到了广泛的关注。虽然现在采用线切割等工艺能使水道宽度达到0.1mm的水平，大大提高了换热效果，但是这种宽度的流槽还是太宽，而且加工速度慢，工艺复杂，能加工流槽形状有限。此外，这种亚mm级的微流槽镜由于存在流槽和实体区，因而加工后特别是抛光、镀膜后由于应力释放，镜面易产生不均匀附加变形，流槽越宽，这种附加变形越大。采用微孔技术则能避免这种缺陷。

采用激光烧结技术可以制作微孔冷却镜(ZL201010201350.6)，但是采用该方法制作的微孔分布和尺寸都难以控制，使得镜子的散热能力和面型难以保证。

泡沫金属在基体中均匀分布有大量连通或不连通孔洞，其孔隙分布和尺寸都是固定的，因而采用泡沫金属来作为微通道镜的微孔层，可以使冷却镜的散热能力和面型得到保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微孔金属冷却镜，这种冷却镜能够在小流量冷却液时依靠自身较大的换热面积和微尺度效应，增大换热效果，减少镜面温升和畸变；本发明还提供了该冷却镜的制作方法，采用该方法，可以制作分布和尺寸稳定的多孔冷却镜。

本发明提供的一种微孔金属冷却镜，它包括镜体和镜架二个部分，镜体包括通过钎焊连接成一体的镜面和泡沫金属微孔层，镜架有至少二个进出液体通道，冷却液通过镜架上的其中一个进出液体通道进入泡沫金属微孔层，冷却液在泡沫金属微孔层内部流动，然后再通过另一个进出液体通道流出，镜架位于泡沫金属微孔层的后面，并与镜体水密连接。

本发明提供的上述微孔金属冷却镜的制备方法，将洁净的镜面与洁净的泡沫金属材料置入钎焊炉中钎焊从而得到镜体，钎焊温度范围在500℃到2000℃之间；再将镜架与镜体固定连接。

本发明通过钎焊技术直接将镜面与泡沫金属进行钎焊连接，使冷却液体能够在泡沫金属层中循环流动，从而实现对镜面的冷却，降低镜面温升和变形。本发明提供的制作方法成功的在镜面基底材料上得到了均匀和可控的微孔冷却层，从而抑制了镜面面型的畸变过大，同时克服了在钎焊时泡沫金属与镜面材料难以焊接的问题，使熔化的钎料在毛细力的作用下适当的进入泡沫金属层的底部，减少了与镜面基底之间的接触热阻。本发明采用钎焊技术直接制作微孔金属冷却镜方法简单，易于操作。

附图说明

图1是常规的液体冷却镜结构示意图；

图2是微孔金属冷却镜的结构图；

图3是微孔金属冷却镜的制作方法的流程图。

具体实施方式

在激光辐照下，镜面由于吸收热，造成温升而膨胀，由于存在温度梯度，产生热应力，从而产生镜面变形。如果在激光的非辐照区采用水冷导走热量，则可以大大降低整个镜体温度梯度，从而抑制镜面面型畸变。流体换热效果与流量大小、流槽结构、换热面积、以及流动状态有关，如果增加换热面积并改变流动状态，则可以大大提高换热效果，从而采用小流量也能得到很好地换热。连通微孔比表面积大、存在微尺度效应、因而换热效果好。

本发明采用成熟的钎焊技术，将镜面基底与泡沫金属进行焊接，再进行封装，可以很方便的制作微孔金属冷却镜。

如图2所示，本发明提供的微孔金属冷却镜包括镜体9和镜架4二个部分。镜体9包括镜面1、过渡层2、泡沫金属微孔层3三个部分。镜面1、过渡层2、泡沫金属微孔层3通过钎焊工艺连接成一体。过渡层2紧挨镜面1的背面7，过渡层2的作用是钎焊时将镜面1和泡沫金属微孔层3紧密连接起来；镜架4与常规水冷镜一样，有至少二个进出液体通道8，冷却液通过镜架4上的进出液体通道8进入泡沫金属微孔层3，冷却液在泡沫金属微孔层3内部流动，然后再通过进出液体通道8流出。镜架4位于泡沫金属微孔层3的后面，与镜体9通过螺钉连接从而形成镜子，镜架4与镜体9连接后不会漏水。

工作时，镜面1的激光辐照面6面向激光，吸收激光能量，然后通过热传导使得镜体温度升高。冷却液通过镜架4上的进出水液体通道8流入泡沫金属微孔层3，通过换热带走激光辐照时镜面1吸收的热量，从而降低镜面1的温升，抑制其变形。

泡沫金属微孔层3的材料可以是Cu，Ni、Al等金属和合金，镜面1的材料可以是Cu、Mo、W、Si或SiC等。

本发明方法采用钎焊技术，将泡沫金属微孔层3与镜面1进行钎焊，其具体过程如下：

步骤1：将泡沫金属材料(孔隙大小为10nm到1mm之间，孔隙率在10％到95％之间)和镜面材料清洗干净；

步骤2：在镜面1的背面7上镀覆厚度约为在数百纳米至数十微米过渡层2(通常为500nm--80um)，过渡层2材料是能够增加镜面和泡沫金属润湿性的材料；如果镜面和泡沫金属之间本身有良好的润湿性，则无需涂覆过渡层2；

步骤3：将涂覆过渡层的镜面与泡沫金属材料置入钎焊炉中钎焊从而得到镜体9。钎焊温度范围在500℃到2000℃之间，钎焊时间在2h到200h之间；

步骤4：将镜架4与镜体9通过螺钉固定。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实例1：以泡沫Cu作为泡沫金属微孔层材料，Si作为镜面材料

步骤1：将孔隙大小为10μm、孔隙率为95％的泡沫Cu材料和放入Si镜面清洗干净；

步骤2：在Si上镀覆厚度为500nm的过渡层，其中第一层是厚度为200nm的Cr，第二层是厚度为300nm的Ag；

步骤3：将镀覆过渡层的Si与泡沫Cu钎焊成镜体。钎焊接温度为1000℃，焊接时间为2h；

步骤4：将焊接好的镜体和镜架通过螺钉连接成一体，连接后的镜子不得漏水。

实例2：以泡沫Cu作为泡沫金属微孔层材料，Mo作为镜面材料

步骤1：将孔隙大小为10mm、孔隙率为10％的泡沫Cu和Mo清洗干净；

步骤2：由于Mo和Cu之间有良好的润湿性，因此无需涂覆过渡层。将Mo镜面与泡沫铜钎焊，焊接温度为1000℃，焊接时间为5h；

步骤3：将焊接好的镜体和镜架通过螺钉连接成一体，连接后的镜子不得漏水。

实例3：以泡沫Ni作为泡沫金属微孔层材料，W作为镜面材料

步骤1：将孔隙大小为100μm、孔隙率为60％的泡沫Ni和W镜面清洗干净；

步骤2：由于W和Ni之间有良好的润湿性，因此无需涂覆过渡层。将W镜面与泡沫Ni进行焊接，焊接温度为2000℃，焊接时间为130h；

实例4：以泡沫Al合金作为泡沫金属微孔层材料，Cu作为镜面材料

步骤1：将孔隙大小为1mm、孔隙率为20％的泡沫Al合金和Cu镜面清洗干净；

步骤2：将Cu基底与泡沫Al合金进行焊接，焊接温度为800℃，焊接时间为80h；

实例5：以泡沫Al合金作为泡沫金属微孔层材料，SiC基作为镜面材料

步骤1：将孔隙大小为500μm、孔隙率为80％的泡沫Al合金和SiC镜面清洗干净并干燥；

步骤2：采用Pd盐活化的方法在SiC基底材料表面镀覆厚度为80μm的Ni-P镀层；

步骤3：将SiC镜面与泡沫Al合金钎焊，焊接温度为500℃，焊接时间为200h；

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种微孔金属冷却镜，它包括镜体和镜架二个部分，镜体包括通过钎焊连接成一体的镜面和泡沫金属微孔层，镜架有至少二个进出液体通道，冷却液通过镜架上的其中一个进出液体通道进入泡沫金属微孔层，冷却液在泡沫金属微孔层内部流动，然后再通过另一个进出液体通道流出，镜架位于泡沫金属微孔层的后面，并与镜体紧密连接。

2.根据权利要求1所述的微孔金属冷却镜，其特征在于，所述镜体还包括钎焊时将镜面和泡沫金属微孔层紧密连接起来过渡层，过渡层紧挨镜面的背面。

3.根据权利要求1或2所述的微孔金属冷却镜，其特征在于，所述泡沫金属微孔层的材料为Cu，Ni或Al，或其合金。

4.根据权利要求1或2所述的微孔金属冷却镜，其特征在于，所述镜面的材料是Cu、Mo、W、Si或SiC。

5.一种权利要求1所述微孔金属冷却镜的制备方法，将洁净的镜面与洁净的泡沫金属材料置入钎焊炉中钎焊从而得到镜体，钎焊温度范围在500℃到2000℃之间；再将镜架与镜体固定连接。

6.一种权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在洁净的镜面置入钎焊炉前，先在进行镜面的背面上镀覆一层过渡层，过渡层材料为能够增加镜面和泡沫金属润湿性的材料。

7.一种权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述过渡层的厚度为500nm--80um。

8.一种权利要求5或6或7所述的制备方法，其特征在于，所述泡沫金属材料的孔隙在10nm到1mm之间，孔隙率在10％到95％之间。