CN108957767A - 高功率光能截止器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率光能截止器，包括顶部开口呈圆筒状的吸收体，所述吸收体的内壁沿其周向设置有若干圈连续布置的吸收槽，所述吸收体的底部中心处设置有用于将光线反射至吸收槽上的反射锥；所述吸收体的外部设置有圆筒状的密封罩，所述吸收体的环形外壁与密封罩的环形内壁之间设置有用于供冷却液流通的导流空腔。本发明设计有吸收体、反射锥、密封罩，反射锥将入射的高能激光反射到吸收体内壁的吸收槽，再由吸收槽多级反射以提高换热面积与换热系数，进一步加大吸收面、降低功率密度，并诱导反射光在吸收槽内多次反射，提高了整体吸收率。

Description

高功率光能截止器
技术领域
本发明涉及光能截止器，具体地指一种高功率光能截止器。
背景技术
目前，激光器被大量运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯、医疗、军事等各个行业，激光在工作过程中大量的能量被转换为热能，其产生的热能可能会产生不良后果，在军事运用上，高功率激光器所产生的热能不仅影响输出的光束质量，还对周围设备及人员来说极其危险，具有高破坏性。在激光领域中，最常见的冷却方式为风冷、水冷，由于水冷成本较低、效率高，能迅速对高热环境进行热能消散，被广泛采用。
光能截止是激光器光束合成、优化过程中重要的环节，需要在内光路中将高能废弃光束截止再以热能方式回收，并尽可能降低反射、散射及热效应，避免造成光学器件损伤及热变形引起的光束质量下降、指向漂移等。然而，由于高功率密度激光无法直接吸收，容易造成局部温升太高会导致严重的热效应的问题。因此，需要设计一种可以解决高功率密度光能截止、吸收率以及温升等问题的光能截止器。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种高功率光能截止器，该截止器可以减小热阻，提高换热面积与换热系数，达到高效冷却、降低热效应的目的。
为实现上述目的，本发明所设计的高功率光能截止器，包括顶部开口呈圆筒状的吸收体，其特殊之处在于：所述吸收体的内壁沿其周向设置有若干圈连续布置的吸收槽，所述吸收体的底部中心处设置有用于将光线反射至吸收槽上的反射锥；所述吸收体的外部设置有圆筒状的密封罩，所述吸收体的环形外壁与密封罩的环形内壁之间设置有用于供冷却液流通的导流空腔。这样，通过反射锥将入射的高能激光反射到吸收体内壁的吸收槽，再由吸收槽多级反射以提高换热面积与换热系数，进一步加大吸收面，降低功率密度。
进一步地，所述反射锥的底部设置有固定柱，所述固定柱的下端贯穿吸收体的底部中心孔嵌入密封罩内通过螺钉与之固定连接。这样，可以将反射锥固定在吸收体的底部，保证最佳的反射角度。
进一步地，所述吸收槽为V形槽，且所述V形槽的夹角为60°～90°；所述吸收槽的表面覆盖有黑镍层、黑铬层或氧化铜层。这样，可以进一步加大吸收面、降低功率密度，并诱导反射光在V形槽内多次反射，提高整体吸收率。
进一步地，所述吸收体的外壁沿其周向设置有若干圈连续布置的用于引导冷却液流动的导流槽；所述导流槽为V形槽或者弧形槽。这样，可以增加换热面积，冷却液经由入口进入吸收体和密封罩组成的冷却空腔，吸收体外壁的导流槽进行高效冷却、降低热效应，经过散热循环后从出口流出，提高了冷却效果。
进一步地，所述吸收体的底部下端面与密封罩的底部上端面之间设置有与导流空腔连通的引流空腔，所述密封罩的底部上端面上设置有若干个间隔布置的引流通道。这样，通过以上手段减小热阻，提高换热面积与换热系数，达到高效冷却、降低热效应的目的。
进一步地，所述密封罩的下部两侧分别设置有与导流空腔连通的进水管和出水管。
进一步地，所述反射锥的锥角为60°～90°；所述反射锥的底部与吸收体的底部接触面之间设置有第一密封圈。
再进一步地，所述吸收体的顶部设置有向外径向延伸的环形翻盖，所述环形翻盖的底端面与密封罩的顶端面贴合并通过若干个紧固件固定连接。
更进一步地，所述环形翻盖的底端面与密封罩的顶端面之间设置有第二密封圈。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
其一，本发明设计有吸收体、反射锥、密封罩，反射锥将入射的高能激光反射到吸收体内壁的吸收槽，再由吸收槽多级反射以提高换热面积与换热系数，进一步加大吸收面、降低功率密度，并诱导反射光在吸收槽内多次反射，提高了整体吸收率。
其二，本发明的密封罩与吸收体间形成小间隙的导流空腔以提高流速，吸收体底面的引流空腔加工引流通道可以辅助引导兼顾底面与反射锥冷却，通过以上手段减小热阻，提高换热面积与换热系数，达到高效冷却、降低热效应的目的。
其三，本发明的吸收体外壁设计有导流槽，可以增加换热面积，冷却液经由入口进入吸收体和密封罩组成的冷却空腔，吸收体外壁的导流槽进行高效冷却、降低热效应，经过散热循环后从出口流出，提高了冷却效果。
附图说明
图1为一种高功率光能截止器的剖视结构示意图；
图2为图1中反射锥反射光束的示意图；
图3为图2中反射槽反射光束的示意图；
图中，吸收体1、吸收槽2、反射锥3、密封罩4、导流空腔5、固定柱6、导流槽7、引流空腔8、引流通道9、进水管10、出水管11、第一密封圈12、环形翻盖13、紧固件14、第二密封圈15。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示的高功率光能截止器，包括顶部开口呈圆筒状的吸收体1，吸收体1采用高热导率的紫铜制成，内径尺寸为吸收体1的内壁沿其周向设置有若干圈连续布置的吸收槽2，吸收槽2的表面采用镀覆黑镍层、黑铬层或氧化铜层的方式进一步提高吸收率。吸收槽2为V形槽，且V形槽的夹角为60°～90°，最佳夹角为60°。吸收体1的外壁沿其周向设置有若干圈连续布置的用于引导冷却液流动的导流槽7，导流槽7为V形槽或者弧形槽。吸收体1的底部中心处设置有用于将光线反射至吸收槽2上的反射锥3，反射锥的锥角为60°～90°，最佳锥角为90°。反射锥3的底部与吸收体1的底部接触面之间设置有第一密封圈12，反射锥3的底部设置有固定柱6，固定柱6的下端贯穿吸收体1的底部中心孔嵌入密封罩4内通过螺钉16与之固定连接。当激光光束垂直射入到反射锥3时，反射锥3的斜面将光束进行反射分散(如图2所示)，反射到吸收体1的内壁上，吸收体1内壁上的吸收槽2反射面再将光束进行多级反射(如图3所示)，吸收体1外壁的导流槽7增加换热面积，通过内外的吸收槽2和导流槽7的共同作用，可以减小热阻、提高换热面积与换热系数，达到高效冷却、降低热效应的目的。
上述技术方案中，吸收体1的外部设置有圆筒状的密封罩4，吸收体1的环形外壁与密封罩4的环形内壁之间设置有用于供冷却液流通的导流空腔5。密封罩4的下部两侧分别设置有与导流空腔5连通的进水管10和出水管11。吸收体1的底部下端面与密封罩4的底部上端面之间设置有与导流空腔5连通的引流空腔8，密封罩4的底部上端面上设置有若干个间隔布置的引流通道9。吸收体1的顶部设置有向外径向延伸的环形翻盖13，环形翻盖13的底端面与密封罩4的顶端面贴合并通过若干个紧固件14固定连接，环形翻盖13的底端面与密封罩4的顶端面之间设置有第二密封圈15。这样，冷却液体从进水管10流到由吸收体1和密封罩4形成的导流空腔5和引流空腔8中，吸收体1和密封罩4通过第二密封圈15对冷却腔体中的冷却液进行密封，冷却液在导流空腔5和引流空腔8中循环后通过出水管11流出，整体形成液冷却系统。
本发明对光束的处理分为三个阶段：扩束阶段、吸收阶段、冷却阶段，具体原理如下：
(1)扩束阶段：利用反射锥的90°锥形反射面将光束反射至吸收体1内壁的吸收槽2上，功率密度降低24倍。反射锥3采用热导率、加工性均较好的7A09铝合金，为提高锥面具有稳定的高反射率，抛光后镀金，最终抛光至0.05粗糙度，避免了由于高功率密度激光无法直接吸收，造成局部温升太高会导致严重的热效应的问题。
(2)吸收阶段：吸收体1内壁加工吸收槽2，吸收槽2优选为夹角为60°的V形槽，进一步加大吸收面、降低功率密度，并诱导反射光在V形槽内多次反射，提高整体吸收率，吸收槽2的表面采用镀覆黑镍层、黑铬层或氧化铜层的方式进一步提高吸收率。
(3)冷却阶段：采用水冷方式将冷却液注入导流空腔5和引流空腔8，对吸收体1的环形侧壁、底面和反射锥进行冷却，吸收体1采用高热导率的紫铜，换热面加工V形槽增加面积，密封罩4与吸收体1间形成小间隙的导流空腔5以提高流速，吸收体底面的引流空腔8加工引流通道9可以辅助引导兼顾底面与反射锥冷却。通过以上手段减小热阻、提高换热面积与换热系数，达到高效冷却、降低热效应的目的。本发明解决了内光路高能废弃光束截止问题，经仿真计算及实物验证，对3kw光束截止时，吸收面最高温度约73°。
以上仅为本发明的具体实施方式，应当指出，其余未详细说明的内容为现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率光能截止器，包括顶部开口呈圆筒状的吸收体(1)，其特征在于：所述吸收体(1)的内壁沿其周向设置有若干圈连续布置的吸收槽(2)，所述吸收体(1)的底部中心处设置有用于将光线反射至吸收槽(2)上的反射锥(3)；所述吸收体(1)的外部设置有圆筒状的密封罩(4)，所述吸收体(1)的环形外壁与密封罩(4)的环形内壁之间设置有用于供冷却液流通的导流空腔(5)。
2.根据权利要求1所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述反射锥(3)的底部设置有固定柱(6)，所述固定柱(6)的下端贯穿吸收体(1)的底部中心孔嵌入密封罩(4)内通过螺钉(16)与之固定连接。
3.根据权利要求2所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述吸收槽(2)为V形槽，且所述V形槽的夹角为60°～90°；所述吸收槽(2)的表面覆盖有黑镍层、黑铬层或氧化铜层。
4.根据权利要求1或2或3所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述吸收体(1)的外壁沿其周向设置有若干圈连续布置的用于引导冷却液流动的导流槽(7)。
5.根据权利要求4所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述导流槽(7)为V形槽或者弧形槽。
6.根据权利要求1或2或3所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述吸收体(1)的底部下端面与密封罩(4)的底部上端面之间设置有与导流空腔(5)连通的引流空腔(8)，所述密封罩(4)的底部上端面上设置有若干个间隔布置的引流通道(9)。
7.根据权利要求1或2或3所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述密封罩(4)的下部两侧分别设置有与导流空腔(5)连通的进水管(10)和出水管(11)。
8.根据权利要求1或2或3所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述反射锥(3)的锥角为60°～90°；所述反射锥(3)的底部与吸收体(1)的底部接触面之间设置有第一密封圈(12)。
9.根据权利要求1或2或3所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述吸收体(1)的顶部设置有向外径向延伸的环形翻盖(13)，所述环形翻盖(13)的底端面与密封罩(4)的顶端面贴合并通过若干个紧固件(14)固定连接。
10.根据权利要求9所述的高功率光能截止器，其特征在于：所述环形翻盖(13)的底端面与密封罩(4)的顶端面之间设置有第二密封圈(15)。
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