CN103050869B - 一种非等厚镜面的微孔冷却镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非等厚镜面结构的微孔冷却镜，冷却镜包括镜面层、沟槽层和镜架，其中镜面层是非等厚度的，沟槽层的通道内填充了多孔材料，镜架有冷却液的进/出口。通过钎焊方法将镜面层与填充有多孔材料的沟槽层焊接到一起组成镜体，镜体与镜架之间通过钎焊或者机械装夹的方式连接到一起。冷却液体由镜架上的进口进入沟槽层，在通过多孔材料的时候与镜体换热，再由镜架上的出口流出，带走热量。本发明提出的非等厚镜面改善了镜面受热不均匀而产生的热变形；充满多孔材料的沟槽层设计克服了全微孔结构冷却镜不能控制冷却液流向的问题，同时为镜面层提供了支撑使镜面层可以制作的更薄而改善散热。

Description

一种非等厚镜面的微孔冷却镜

技术领域

本发明属于激光光学谐振腔领域，具体涉及一种非等厚镜面结构的微孔冷却镜，主要用于高功率密度和光束质量要求较高的高能激光器光学谐振腔和光学传输系统。

背景技术

高能量高功率激光器在科研、军事、航天和工业领域都已得到了广泛的应用，并有着良好的应用前景。在高能激光系统中，腔镜表面由于吸收部分激光能量致使镜体升温，镜面发生热畸变导致光束质量变差，严重制约了高能激光器的应用特别是远程应用。当激光能量密度过大时，还会引起腔镜膜层脱落甚至本身炸裂，导致激光器无法正常工作。随着激光器功率和能量的日益提高，降低镜面热变形一直是高能高功率激光器的关键技术之一。在众多现有的降低镜面热畸变的方法中，主动冷却技术是最有效和最有前途的方法。其中液体冷却(水冷)是最常用、应用最广泛的主动冷却技术。

常规的冷却镜结构如图1所示，由镜面1、沟槽层2和镜架3组成。通常镜面都是等厚的。一般的冷却镜流体通道都是采用机械加工的方法来制作，由于机加工水平的限制，其通道的宽度通常在毫米量级。随着机械加工技术和方法的不断进步，沟槽截面的形状和尺寸在不断减小，但是大体结构相似。为了增加冷却镜的换热能力，国内外的设计人员主要从以下方面入手：用光刻的方法增大镜面层背面的粗糙度，以增加流动阻力(US3781094)；改变冷却液出入口的设计，使相临近的流道内流向相反(US3708223)；设计不同截面形状和尺寸的多层流道，流道层之间流向相反或相互垂直(US4378626、US4386825、US4110013)；采用许多垂直于镜面的直孔结构对镜面层进行冷却(US3909118)。此外Frank M.Anthony总结了多种单层多层流道形状的冷却镜结构，但是所有以上的结构都是采用中空的流道或直孔，而且镜面层都是等厚度的(Frank M.Anthony.High heat load optics：an historical overview.Optical Engineering.February 1995.Vol.34 No.2313-320)。这些常规结构的冷却镜由于面积/体积比有限，换热效果很难进一步提高。在采用这种结构的时候，为了保证镜面层的刚度，镜面层的厚度根据不同材料一般不能小于2mm～3mm，否则由于镜面刚度不够，镜面的光学加工性能会变差，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。同时镜面层的厚度直接与镜面层和沟槽层之间的换热效率相关，镜面层越薄，换热效率越高。此外，根据热弹性方程，镜面层越薄，温升相同情况下，热变形越小。

从增加镜面刚度和换热面积着手，专利文献CN101859976A公开了一种微孔冷却镜，其主要思想是由孔隙取代常规冷却镜的沟槽。由于具有高的表面积/体积比，镜子具有较大的换热系数，而且由于孔隙分布较均匀，使得镜面刚度一致，所以在不影响光学加工性能的前提下，镜面可以做得更薄同时保证很好的面型。但是此种微孔冷却镜存在一个致命缺点：由于冷却介质会自动选择阻力系数最小的路线，因此使得该冷却镜中远离进水口的地方由于缺少冷却液而得不到有效的冷却。

上述提及的所有结构的冷却镜的镜面层都是采用的等厚度的结构，而当镜面层的厚度一致时，由于高能激光束一般为高斯光束，辐照在镜面上，镜面中心部位通常受到的激光功率密度大，而边沿小。如果镜面厚度和冷却流体特性都均匀的话，镜面通常会发生中间变形大、边沿变形小，类似于高斯状的变形。从热弹性方程可知，在相同的热输入的情况下，镜面厚度对热变形有直接的影响。基于此，采用非等厚度结构的镜面层来制作冷却镜可以控制镜面不同部位的热形变大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非等厚镜面的微孔冷却镜，它可以减少热形变。

本发明提供的一种非等厚镜面的冷却镜，它包括相互连接的镜体和镜架，其特征在于，所述镜体由镜面层和沟槽层连接组成，所述沟槽层填充有多孔材料，所述镜面层的反射面为平面，背面为凹面。

上述技术方案可以采用下述任一种或任几种的改进，所述镜面层背面为球形凹面、环形凹面、锥形凹面和椭球形凹面；镜面层的厚度为0.5mm～3mm，其材料为铜、硅或碳化硅；沟槽层的厚度为0.5mm～3mm，其材料为铜、硅或碳化硅。

上述技术方案可以采用下述任一种或任几种的进一步改进，沟槽层的形状是直流道，波浪形流道，螺旋形流道或直角形状的流道，且相邻流道间的间距为0.1mm～2mm；多孔材料是铜或碳化硅，且孔隙率为50％～90％；镜架的材料是铜、铝合金或钢。

本发明提供了一种非等厚镜面的微孔冷却镜，它包括镜面层、沟槽层(包含沟槽和多孔材料)、镜架；镜面层的背面加工为不同形状的凹面，沟槽层的一面加工为凸面，并将镜面层和沟槽层通过钎焊的方式连接。工作时，镜面吸收激光辐射，温度升高，流体通过镜架上面的进口进入沟槽层中的多孔材料中，通过换热带走镜体的热量，使镜体降温，减小形变。

本发明的镜面层的凹面形状和尺寸是根据工况下激光束的形状来设计的，保证热输入较大的地方较薄，热输入较小的地方较厚。沟槽层中槽道起到引流的作用，是为了保证镜面辐照区域都可以得到流体的冷却；而沟槽中的多孔材料是为了增加换热能力和提供镜面必要的刚度。

该冷却镜的镜面层的反射面仍然为平面，但是背面根据激光光斑形状被加工为不同形状的凹面，比如球形凹面、环形凹面以及锥形凹面等，使得镜子中心部位激光辐照密度大的地方较薄，边沿激光辐照密度小的地方较厚。该冷却镜的沟槽层不是单一的微通道结构，也不是单一的微孔结构，而是在微通道里面填充一定孔隙率的多孔材料。微通道在这里起引流作用，以保证冷却液对镜面各个部位都能有效冷却，而微孔结构不仅增加了换热系数，而且为镜面提供了可靠支撑，增加了镜面刚度，可以在不减小镜面光学加工性能的同时减小镜面的厚度，同时也为非等厚结构的镜面层的提供了设计余地。镜架保证沟槽层的密封，并为冷却液提供进口和出口。该冷却镜的镜面层和沟槽层直接通过焊接或者直接烧结的方式连接，镜架通过焊接或者机械装夹的方式与沟槽层连接。

附图说明

图1是常规液体冷却镜的结构示意图；

图2是非等厚镜面微孔冷却镜的结构示意图；

图3是非等厚镜面微孔冷却镜的镜面层的结构示意图；

图4是非等厚镜面微孔冷却镜的沟槽层的结构示意图；

图5是非等厚镜面微孔冷却镜的沟槽层的横截面示意图；

图6是非等厚镜面微孔冷却镜的镜架的结构示意图；

图7是非等厚镜面微孔冷却镜的制作流程图示意图。

具体实施方式

冷却镜在工作条件下，由于光斑强度的非均匀性导致镜面各部分的热输入也不均匀，所以镜面发生非均匀变形。本发明从两个方面减小热变形：一是根据热弹性方程中热变形与镜面厚度的关系设计非等厚度的镜面层结构，热输入大的地方镜面厚度小，热输入小的地方镜面厚度大；二是采用通道中间填充多孔材料的方法，控制冷却液体的流向分布和增大换热能力以及给薄镜面层提供支撑。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，本发明提供的非等厚镜面结构的微孔冷却镜包括三部分：非等厚镜面层4、填充有多孔材料的沟槽层5和镜架6。其中镜面层4和沟槽层5通过钎焊的方式连接组成镜体，镜体与镜架6之间通过机械的方法或者钎焊的方法连接。工作条件下，冷却液体从镜架6上的入口7流入，经过沟槽层5里面通道9中的微孔10后，经镜架上面的出口8流出。冷却液在微孔中与镜体发生换热，降低镜面温度，减少镜面的相对热输入。由于镜面中心部位热量较集中，所以镜面中心部位温升较镜面边缘部位大，但是镜面中心部位厚度较小，因而热变形大小不会比镜面边缘部位更大，合理的设计镜面厚度的分布，可以保证镜面变形量在许可范围内。

图3为非等厚镜面结构的微孔冷却镜的镜面层结构图，其中12为镜面层的横截面面；13为镜面，作为反射镜的反射面；11为镜面层背面加工的凹面。

图4为非等厚镜面结构的微孔冷却镜的沟槽层结构图，其中9和10为填充有多孔材料的沟槽层截面图；9表示沟槽翅片的横截面；10表示多孔材料的横截面，图5是截面9和10的放大图。14为根据镜面层凹面加工的凸面。

图6为非等厚镜面结构的微孔冷却镜的镜架结构图，其中17为镜架的横截面，16为根据沟槽层的凹面加工成的凸面。15是为了起到缓冲和分流作用的缓冲槽。

图7为非等厚镜面微孔冷却镜的制作流程图，其具体制备过程如下：

(一)根据工况时的激光光斑形状，将镜面层背面加工为凹面，如激光为圆形光斑，则加工为球形凹面；

(二)在金属板上加工沟槽；

(三)按照上述沟槽结构的形状和尺寸，加工具有微孔结构的多孔材料，使其正好可以填充到上一步的沟槽中间，保证每一条沟槽都填满；

(四)把上述加工好的多孔材料填充到(二)中的沟槽中，用夹具装夹好，并将其中一面加工为与(一)中的凹面形状相同的凸面；

(五)将(一)中的镜面层与(四)中的沟槽层以钎焊的方式连接构成镜体，卸掉夹具并将沟槽层的另一面加工为与(一)中一样的凹面；

(六)将镜架的内面加工为凸面，保证此凸面可以与(五)中镜体的凹面匹配，然后将镜架与镜体以钎焊的方式或者机械装夹的方式连接到一起，再装上水嘴即可得到非等厚镜面的微孔冷却镜。

实例：

实例1硅作为镜面层和沟槽层材料，以孔隙率为50％的碳化硅作为沟槽层的填充材料。镜面层的背面为球形凹面，镜面层厚度为0.5mm。沟槽层的沟槽为平行的直流道，沟槽壁厚(即相邻流道间的间距)为1mm。

实例2硅作为镜面层材料，铜作为沟槽层材料，以孔隙率为90％的多孔泡沫铜作为沟槽层填充材料。镜面层背面为环形凹面，其厚度为1mm。沟槽层为网状流道分布，沟槽壁厚为0.1mm。

实例3碳化硅作为镜面层、沟槽层和沟槽填充材料。孔隙结构的碳化硅的孔隙率为70％。镜面层为椭球形凹面，其厚度为3mm。沟槽层为螺旋形的流道分布，沟槽壁厚为2mm。

实例4铜作为镜面层、沟槽层，以孔隙率为70％的多孔泡沫铜作为沟槽层填充材料。镜面层为锥形凹面，其厚度为5mm。沟槽层为Z字形的流道分布.

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 (5)

1.一种非等厚镜面的冷却镜，它包括相互连接的镜体和镜架，其特征在于，所述镜体由镜面层和沟槽层连接组成，

所述沟槽层填充多孔材料，多孔材料是铜或碳化硅，且孔隙率为50％～90％，沟槽层内的槽道是直流道，波浪形流道，螺旋形流道或直角形状的流道，且相邻流道间的间距为0.1mm～2mm，所述沟槽层的一面加工为与镜面层背面的凹面形状相同的凸面，另一面加工为与镜面层背面一样的凹面；

所述镜面层的反射面为平面，背面根据激光光斑形状被加工为不同形状的凹面，使得镜子中心部位激光辐照密度大的地方较薄，边沿激光辐照密度小的地方较厚；

所述镜架的内面加工为凸面，此凸面与镜体的凹面匹配，该镜架使沟槽层密封，并为冷却液提供进口和出口。

2.根据权利要求1所述的非等厚镜面的微孔冷却镜，其特征在于，所述镜面层背面为球形凹面、环形凹面、锥形凹面和椭球形凹面。

3.根据权利要求1所述的非等厚镜面的微孔冷却镜，其特征在于，镜面层的厚度为0.5mm～3mm，其材料为铜、硅或碳化硅。

4.根据权利要求1所述的非等厚镜面的微孔冷却镜，其特征在于，沟槽层的厚度为0.5mm～3mm，其材料为铜、硅或碳化硅。

5.根据权利要求1所述的非等厚镜面的微孔冷却镜，其特征在于，镜架的材料是铜、铝合金或钢。