CN104953458A - 一种光加热补偿镜及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种光加热补偿镜及其使用方法。该光加热补偿镜包括镜体、激光衰减器和激光扩束系统和光阑；热补偿时，部分激光从开有中心通孔的镜体中心透过，然后依次经激光衰减器调节热补偿能量、经由凹透镜和凹面镜组成的激光扩束系统调节热补偿光束直径和经由光阑调节热补偿加热范围后照射到镀有高吸收膜的镜子背面进行热补偿。该发明可以利用激光器本身的光能实现激光腔镜的均匀热补偿，将激光腔镜光斑部分热变形降低至原来的1/40以下。

Description

一种光加热补偿镜及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种光加热补偿镜及其使用方法。具体涉及一种利用激光器本身光能将激光腔镜光斑部分热变形降低至原来的1/40以下的光加热补偿镜及其使用方法。
背景技术
随着激光技术的飞速发展，激光器的功率越来越高，连续作用时间越来越长。高的激光能量使得激光腔镜产生很大的热变形，从而使光束质量显著下降，使之无法远距离传输，导致激光系统无法正常工作。因此，减小激光腔镜的热变形具有十分重要的意义。
为了改善激光腔镜的热变形，人们采取了许多方法。热补偿法即是其中非常有效的方法之一。其基本原理为：在激光照射下，镜面将会由于吸收热量产生温升而膨胀，而由于激光的辐照面、侧面和背面的温升情况不同，所以镜面将会产生弯曲。如果在激光的非辐照区加一个合适的热量进行补偿，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。
根据热补偿能量的提供方法，热补偿法主要包括两种：一种是电加热补偿法，制成的热补偿镜叫做电加热补偿镜，另外一种是光加热补偿法，制成的热补偿镜叫做光加热补偿镜。
电加热补偿镜的侧面、背面甚至前表面设置电阻丝或电热片等加热元件，在进行热补偿时热补偿能量即是来自于加热元件通电释放的热量。电加热补偿镜方面的发明和研究主要包括：1.程祖海等人发明的热补偿可控波相差复合微变形镜（1.余亮英，程祖海，朱海红，曹华梁.热补偿腔镜热变形的研究.光学与光电技术，2007，5（2），12-15。2.朱海红，余亮英，程祖海，陈佳元.热补偿可控波相差复合微变形镜.授权专利号：CN100424945C）、2.Friede等人（Dirk Friede,Hermann Hage,Karl-Heinz Herzner,Volker Scholz,“Laser system and method with thermally compensated optics,”US Patent:5751750.）提出并经Rodionov等人（A.Yu.Rodionov,V.V.Sergeev,A.A.Smirnov,A.V.Starovoitov,V.E.Sherstobitov,“Compensation of dynamicthermal deformations of mirrors in high-power slab lasers,”QuantumElectronics,Vol.34,No.11,pp.1040-1046,2004.）实验研究的板条形激光器用热补偿镜等。电加热补偿镜展现出了良好的热补偿效果，然而其也存在自身的一些缺点，包括：1).电加热补偿镜发热元件的制作、安装工艺比较复杂；2).热补偿能量须由外部电源提供；3).安装发热元件时很难保证电热补偿镜仍具有良好的初始面型。
光加热补偿镜镜体的背面镀有一层对热补偿光高吸收的膜层，在进行热补偿时热补偿能量即来自于高吸收膜层对热补偿光的吸收。由于高吸收膜的镀制技术现在已经非常成熟，所以光加热补偿镜的镜体制备相对简单，同时加工成的光加热补偿镜也能够很容易的具有良好的初始面型。
最早采用光加热补偿法的是美国的Paul等人（Paul.G.DeBaryshe,Sheldon.L.Glickler,“Compensation of thermal expansion in mirrors for highpower radiation beams,”US patent:4287421.），他们通过让部分激光透射到激光腔镜的背面来实现热补偿。该方法的缺点为：1.为了使激光能够透射到腔镜的背面，所采用的基体材料必须为对激光透明的材料，不能随意选择；2.激光腔镜前后表面对热量的吸收量的比值是一定值，在进行热补偿时无法根据实际情况对热补偿能量进行调节。
Friede等人采用让激光从激光腔镜的侧面漏出，然后经反射镜反射到激光腔镜背面的光加热补偿方案。该方案存在的主要问题在于无法提供均匀的热补偿能量，使得热补偿效果大打折扣。
Soloviev等人（A.A.Soloviev,I.E.Kozhevatov,O.V.Palashov,E.A.Khazanov,“Compensation for thermally induced aberrations in opticalelements by means of additional heating by CO2laser radiation,”QuantumElectronics,Vol.36,No.10,pp.939-345,2006.）采用使用CO2激光照射激光腔镜背面的光加热补偿方案。该方案具有良好的热补偿效果，但需要CO2激光器这一额外能源及复杂的控制设备。
可以看出，目前的光加热补偿镜都具有其自身的缺点。因此，发明一种既具有光补偿法的优点又能克服现有光加热补偿镜的缺点的光热补偿补偿镜就显得很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光加热补偿镜及其使用方法。
该光加热补偿镜可以利用激光器本身光能实现激光腔镜的均匀热补偿，将激光腔镜光斑部分热变形降低至原来的1/40以下。
本发明提供的一种光加热补偿镜，它包括镜体、激光衰减器、激光扩束系统和光阑；
镜体的中心开有通孔，用于让部分激光从前表面透射到后表面对镜体进行热补偿；
镜体两面光学抛光，其前表面镀制高反膜，后表面镀制高吸收膜。高反膜用于尽量减少镜体对激光能量的吸收，而高吸收膜则用于尽量多的吸收激光能量，以利于用最少的能量达到最佳的热补偿效果；
激光衰减器用于将从前表面透射到后表面的激光能量衰减到一个合适的大小，从而使热补偿效果最佳；
激光扩束系统由一块凹透镜和一块凹面镜组成，用于将从前表面透射到后表面的激光进行扩束，以利于均匀加热镜体背部；
凹面镜的中心可带有小孔，用于光腔的准直调节；
光阑由一个大圆环、一个小圆环同轴设置而成，大圆环和小圆环间通过1-6个细连接杆相互固定连接，大圆环的内环直径和小圆环的外环直径可以根据需要进行调整，从而控制热补偿加热区域，使热补偿具有最佳的效果。
设置以上器件的原因在于：要想具有最佳的热补偿效果，热补偿的能量、均匀度及加热区域等都有一个最佳值，这些参数需要通过分别调节激光衰减器、激光扩束系统和光阑获得。
本发明的使用方法如下：
在激光照射到镜子上使镜子的辐照区吸收激光能量产生温升的同时，让部分激光透过镜子的中心孔。该部分激光首先经激光衰减器衰减到合适的激光强度，然后经由凹透镜和凹面镜组成的激光扩束系统扩束到合适的光束大小，最后经光阑限定热补偿加热范围后照射到镀有高吸收膜的镜子背面进行热补偿。
本发明的优点为：
1.本发明利用激光器本身光能对激光腔镜进行均匀热补偿，使得经过热补偿后，激光腔镜光斑区域的热变形量大为减小，最高可减小至原来的1/40以下；
2.本发明让激光从镜体中心穿过并经激光扩束系统扩束进行热补偿，可使热补偿能量分布均匀；
2.本发明的热补偿能量来自于激光器本身，无需额外能源；
3.本发明可根据实际情况调节热补偿能量、均匀度及加热区域等参数，实现热补偿效果的最佳化；
4.本发明可保证激光腔镜既具有良好的初始面型，又具有良好的热补偿效果；
5.采用该发明制备的光加热补偿镜具有结构简单，操作方便的特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1是本发明的光加热补偿镜结构示意图;
图2是本发明采用的光阑结构示意图;
图3是采用本发明前后激光反射镜光斑部分热变形情况随时间变化的关系图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1和图2所示。本发明提供的一种光加热补偿镜，它包括镜体1、激光衰减器2和激光扩束系统3和光阑4；
所述镜体1的中心开有通孔，用于让部分激光从前表面透射到后表面用于对激光腔镜进行热补偿；
所述镜体1两面光学抛光，其前表面镀制高反膜，后表面镀制高吸收膜。高反膜用于尽量减少镜体对激光能量的吸收，而高吸收膜则用于尽量多的吸收激光能量，以利于用最少的能量达到最佳的热补偿效果；
所述激光衰减器2用于将从前表面透射到后表面的激光能量衰减到一合适的大小，从而使热补偿效果最佳；
所述激光扩束系统3由一块凹透镜5和一块凹面镜6组成，用于将从镜体1中心孔透过的激光进行扩束，对镜体背部进行均匀热补偿；
所述凹面镜6的中心可带有小孔，用于光腔的准直调节；
所述光阑4用于控制热补偿的加热区域，从而使热补偿具有最佳的效果；
所述光阑4由一个大圆环7、一个小圆环8通过四个细连接杆9同轴相互固定连接组成，大圆环7的内环直径和小圆环8的外环直径可以根据热补偿加热区域的需要进行调整。
本发明所述的光加热补偿镜的工作流程如下：
在激光照射到镜子1上使镜子1的辐照区吸收激光能量产生温升的同时，让部分激光透过镜子1的中心孔。该部分激光首先经激光衰减器2衰减到合适的激光强度，然后经由凹透镜5和凹面镜6组成的激光扩束系统3扩束到合适的光束大小，最后经光阑4限定热补偿加热范围后照射到镀有高吸收膜的镜子1背面进行热补偿。
实施例2
下面以一例具体的计算来说明本发明所具有的高效减小激光腔镜光斑部分热变形的能力。
利用ANSYS软件对单晶硅光加热补偿镜的热补偿效果进行了模拟计算研究。图3为模拟计算的结果。其中，黑线为热补偿前激光腔镜光斑部分的热变形情况，红线为热补偿后激光腔镜光斑部分的热变形情况。可以看出：在整个工作时间内，热补偿前激光腔镜光斑部分的最大热变形量为2.6微米，而热补偿后激光腔镜光斑部分的最大热变形量为0.06微米，比热应力补偿前减小了43倍，激光腔镜的热变形量都得到了明显地改善。

Claims (9)

1.一种光加热补偿镜，其特征在于：它包括镜体（1）、激光衰减器（2）、激光扩束系统（3）；激光扩束系统由一块凹透镜（5）和一块凹面镜（6）组成；
镜体（1）、激光衰减器（2）、凹透镜（5）、凹面镜（6）从左至右依次设置；
镜体的中心开有通孔，激光从于镜体左侧的前表面穿过通孔后，再经激光衰减器（2）、凹透镜（5）至凹面镜（6）的反射面、再由凹面镜（6）反射至镜体（1）右侧的后表面。
2.按照权利要求1所述光加热补偿镜，其特征在于：所述镜体两面光学抛光，其左侧的前表面镀制高反膜，右侧的后表面镀制高吸收膜。
3.按照权利要求1或2所述光加热补偿镜，其特征在于：于镜体（1）的右侧、镜体（1）与凹面镜（6）之间设置光阑（4）。
4.按照权利要求3所述光加热补偿镜，其特征在于：光阑（4）靠近镜体（1）的右侧后表面设置。
5.按照权利要求3或4所述光加热补偿镜，其特征在于：激光穿过通孔后经光阑（4）的透光区域至激光衰减器（2）。
6.按照权利要求3所述光加热补偿镜，其特征在于：所述光阑（4）由一个大圆环（7）、一个小圆环（8）同轴设置而成，大圆环（7）和小圆环（8）间通过1-6个细连接杆（9）相互固定连接。
7.按照权利要求6所述光加热补偿镜，其特征在于：所述大圆环（7）的内环直径和小圆环（8）的外环直径可以按需要进行调整。
8.按照权利要求1或2所述光加热补偿镜，其特征在于：镜体（1）、凹透镜（5）、凹面镜（6）均为圆形，且同轴设置。
9.一种权利要求1-8任一所述光加热补偿镜的使用方法，其特征在于：在激光照射到镜子（1）上使镜子（1）的前表面吸收激光能量产生温升的同时，让部分激光透过镜子（1）的中心孔后依次经激光衰减器（2）调节热补偿能量、经由凹透镜（5）和凹面镜（6）组成的激光扩束系统（3）调节热补偿光束直径和经由光阑（4）调节热补偿加热范围后照射到镀有高吸收膜的镜子（1）背面进行热补偿。
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