CN112776384A - 一种内部冷却光学反射镜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内部冷却光学反射镜及其制备方法，所述内部冷却光学反射镜包括：反射镜本体，设置于所述反射镜本体内部的流体通道，以及将所述流体通道与外部流体管道连接起来的连接件，其中，所述反射镜本体、流体通道以及连接件采用3D打印技术一体制造而成。根据本发明，由于一次打印成形使得结构更加牢固，不易出现渗漏，因此可以满足同步辐射光束线、强激光或其它领域需要内部冷却光学元件的使用需求，具有很好的应用前景，克服了现有技术中内部冷却光学反射镜机械加工难度大，生产工艺复杂，成品率低的缺陷。

Description

一种内部冷却光学反射镜及其制备方法
技术领域
本发明涉及内部冷却光学反射镜领域，更具体地涉及一种内部冷却光学反射镜及其制备方法。
背景技术
随着同步辐射以及高功率激光技术的发展，对高热负载光学元件的需求越来越多，为防止光学表面因热形变产生过大的表面质量偏差，一般都需要对此类光学元件进行冷却，以减少表面工作热量。在热负载不太高的情况下，通过侧边接触金属散热的方式可以满足冷却需求。而在一些极端情况下，如工作在超高真空中同步辐射光束线用的一些反射镜，因热负载巨大，通常的接触式冷却方式已经难以满足工作需求，需要采用内部通冷却水，冷却水在距离工作表面约5mm的距离流过，通过冷却水的循环带走热量的方式才能使反射镜的热变形达到光束线的使用要求。该反射镜的加工方法通常为先在一个厚的基底材料上加工出冷却水通道，并留出对外的接口，焊接需要的连接件；然后在基底上粘贴一层5mm厚的表面层，通过对表面层的抛光使其成为光学工作面。此类反射镜表面精度要求极高，因此在基底加工、连接件焊接、表面层粘结等工艺步骤均需格外仔细，任何一步出现差错就会出现废品。
同步辐射光束线因热负载较大，而且使用在超高真空环境中，因此大量使用内部冷却反射镜。现有内部冷却反射镜的加工技术需要利用铣磨、粘结、焊接等复合工艺实现在反射镜基底内部生成冷却通道，而且焊接通常是在两种不同种类材料之间，如单晶硅与铜，难度非常大。这种制作方法内部通道生成方法为机械加工，加工难度大，生产工艺复杂，成品率较低，因此目前仅美国一家公司有能力生产内部冷却反射镜；同时机械加工通道端头通常为直角，通过液流或气流时容易产生振动，对于同步辐射光束线应用很不利。同步辐射内部冷却反射镜使用在超高真空环境中，光学元件任一生产环节如粘结、焊接等产生的缝隙都会产生泄露，使真空度受到影响，从而影响整条光束线的使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种内部冷却光学反射镜及其制备方法，从而解决现有技术中内部冷却光学反射镜机械加工难度大，生产工艺复杂，成品率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种内部冷却光学反射镜的制备方法，所述内部冷却光学反射镜包括：反射镜本体，设置于所述反射镜本体内部的流体通道，以及将所述流体通道与外部流体管道连接起来的连接件，其中，所述反射镜本体、流体通道以及连接件采用3D打印技术一体制造而成。
优选地，所述反射镜本体、流体通道以及连接件由碳化硅材料采用3D打印技术一体制造而成。
所述制备方法包括以下步骤：S1：构建具有内部结构的内部冷却光学反射镜的三维模型，并将其导入3D打印制造程序中；S2：将原料按比例混合均匀加入3D打印设备储料桶中，按照3D打印工作程序制作出所述内部冷却光学反射镜所需的三维结构；S3：将步骤S2制作出的所述内部冷却光学反射镜进行干燥、烧结；S4：利用研磨机对所述内部冷却光学反射镜的各个外表面进行精密加工，使外形尺寸符合要求；S5：通过表面改性技术在光学表面沉积一层硅材料，厚度超过100nm；S6：对改性后的光学表面进行光学抛光，清洗并镀膜，即得。
根据本发明的一个优选方案，所述制备方法还包括：在进行所述干燥、烧结后，在1600-1650℃的温度下进行高温氮气气氛下的热处理，保持时间≥90分钟，待自然冷却至室温后出炉。
优选地，所述制备方法还包括：在进行所述精密加工后，利用目测检测所述内部冷却光学反射镜外部是否完整，利用三坐标测量外部尺寸，利用粗糙度仪检测表面粗糙度情况，并利用检漏仪检测内部微通道与连接件的气密性。
根据本发明的第二方面，提供一种采用上述制备方法制备的内部冷却光学反射镜。
所述内部冷却光学反射镜包括：反射镜本体，设置于所述反射镜本体内部的流体通道，以及将所述流体通道与外部流体管道连接起来的连接件。
所述反射镜本体的整体结构可以是立方体、长方体或圆柱体，或其它类型的三维结构。
所述反射镜本体内部的流体通道包括多条微通道，所述多条微通道之间为串行排列或并行排列。
所述连接件包括两个，所述两个连接件分布于所述反射镜本体的两端或一端。所述连接件材料可以是碳化硅，也可以是其它金属。
根据本发明提供的内部冷却光学反射镜，所述内部冷却反射镜除可使用水流冷却外，也可使用氮气、氩气等其它气体进行冷却；还可使用液氮、液氦等超低温流体进行冷却。
根据本发明一个优选方案，所有部件采用碳化硅材料一次3D打印生成，碳化硅与同步辐射中常用的单晶硅导热性能接近，一次打印成形使得结构更加牢固，不易出现渗漏。
根据本发明提供的内部冷却光学反射镜，其工作原理为：通过镜体上的连接件、内部冷却微通道使冷却水或其它冷却液体或气体在冷却通道内流通，带走强光使光学元件产生的热量，维持镜体的温度，从而保持光学面热变形在可接受范围内。
由于现有技术中内部冷却反射镜需要利用铣磨、粘结、焊接等复合工艺才能实现在反射镜基底内部生成冷却通道，因此机械加工难度较大，成品率低，该内部冷却反射镜的任一生产环节如粘结、焊接等产生的缝隙都会产生泄露，使真空度受到影响，从而影响整条光束线的使用。本发明的关键发明点即在于，使用3D打印技术制造内部冷却反射镜，在生成反射镜本体以及内部的流体通道的同时，可以3D打印生成连接件，便于与外部冷却机组管道的连接。由于一次打印成形使得结构更加牢固，不易出现渗漏，冷却通道可以通过模拟计算实现最优化路径，在使用中液流或气流的振动对光束线性能的影响可以实现最小化，因此可以满足同步辐射光束线、强激光或其它领域需要内部冷却光学元件的使用需求，具有很好的应用前景。
综上所述，本发明不仅提供了一种结构牢固、不易出现渗漏、可以满足同步辐射光束线、强激光或其它领域需要内部冷却光学元件的使用需求的内部冷却光学反射镜，同时还提供了一种生产工艺简单、成品率高的内部冷却光学反射镜的制备工艺。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例提供的一种内部冷却反射镜的透视图；
图2是根据本发明的另一优选实施例提供的一种内部冷却反射镜的透视图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1：同步辐射用低热负载内部冷却平面镜的制备
根据该优选实施例，其制备方法包括以下步骤：
1)因热负载较低，内部冷却通道采用串行单通道，这样可以降低液体流动引入的振动；利用3D制图软件构建具有内部结构的碳化硅光学元件的三维模型，导入3D打印制造设备中；
2)将生产碳化硅光学元件所需的各种原料按比例混合均匀并加入3D打印设备储料桶中，按照3D打印工作程序制作出所需的三维结构；连接件采用金属材料时，碳化硅与金属过渡部分采用逐渐过渡的方式，使得连接更为牢固；
3)通过干燥、烧结等工序，使该内部冷却反射镜结构致密，便于后续加工；
4)利用研磨机对各面进行精密加工，使的外形尺寸达到技术要求；
5)利用目测检测光学元件外部是否完整，利用三坐标测量机外部尺寸，利用粗糙度仪检测表面粗糙度情况，利用检漏仪检测内部微通道与连接件的气密性，通过检测后进行后续加工；
6)通过表面改性技术在光学表面沉积一层硅材料，厚度超过100nm；
7)对改性后的光学元件光学面进行光学抛光，达到光束线所要求的面形与粗糙度技术指标，清洗并镀膜。进行最终的光学检测，达到技术指标即可上线使用。
根据上述制备方法制备的内部冷却反射镜，其结构如图1所示，包括：反射镜本体1，设置于反射镜本体1内部的流体通道2，以及将流体通道2与外部流体管道连接起来的连接件3。其中，反射镜本体1的整体结构为长方体形。内部的流体通道2包括多条串联而成的微通道，两个连接件3均分布于反射镜本体1的右端。
实施例2同步辐射用高热负载内部冷却平面镜的制备
根据该优选实施例，其制备方法包括以下步骤：
1)因热负载较高，内部冷却管道采用并行结构，可以增加冷却液体流量，带走更多热量；利用3D制图软件构建具有内部结构的碳化硅光学元件的三维模型，导入3D打印制造设备中；
2)将生产碳化硅光学元件所需的各种原料按比例混合均匀并加入3D打印设备储料桶中，按照3D打印工作程序制作出所需的三维结构；连接件采用金属材料时，碳化硅与金属过渡部分采用逐渐过渡的方式，使得连接更为牢固；
3)通过干燥、烧结等工序，使该内部冷却反射镜结构致密，便于后续加工；
4)利用研磨机对各面进行精密加工，使的外形尺寸达到技术要求；
5)利用目测检测光学元件外部是否完整，利用三坐标测量机外部尺寸，利用粗糙度仪检测表面粗糙度情况，利用检漏仪检测内部微通道与连接件的气密性，通过检测后进行后续加工；
6)通过表面改性技术在光学表面沉积一层硅材料，厚度超过100nm；
7)对改性后的光学元件光学面进行光学抛光，达到光束线所要求的面形与粗糙度技术指标，清洗后镀膜。进行最终的光学检测，达到技术指标即可上线使用。
根据上述制备方法制备的内部冷却反射镜，其结构如图2所示，包括：反射镜本体1，设置于反射镜本体1内部的流体通道2，以及将流体通道2与外部流体管道连接起来的连接件3’。其中，反射镜本体1的整体结构为长方体形。内部的流体通道2包括多条并联而成的微通道，两个连接件3’分别分布于反射镜本体1的两端。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种内部冷却光学反射镜的制备方法，其特征在于，所述内部冷却光学反射镜包括：反射镜本体，设置于所述反射镜本体内部的流体通道，以及将所述流体通道与外部流体管道连接起来的连接件，其中，所述反射镜本体、流体通道以及连接件采用3D打印技术一体制造而成。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反射镜本体、流体通道以及连接件由碳化硅材料采用3D打印技术一体制造而成。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1：构建具有内部结构的内部冷却光学反射镜的三维模型，并将其导入3D打印制造程序中；
S2：将原料按比例混合均匀加入3D打印设备储料桶中，按照3D打印工作程序制作出所述内部冷却光学反射镜所需的三维结构；
S3：将步骤S2制作出的所述内部冷却光学反射镜进行干燥、烧结；
S4：利用研磨机对所述内部冷却光学反射镜的各个外表面进行精密加工，使外形尺寸符合要求；
S5：通过表面改性技术在光学表面沉积一层硅材料，厚度超过100nm；
S6：对改性后的光学表面进行光学抛光，清洗并镀膜，即得。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，还包括：在进行所述干燥、烧结后，将所述内部冷却光学反射镜在1600-1650℃的温度下进行高温氮气气氛下的热处理，保持时间≥90分钟，待自然冷却至室温后出炉。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，还包括：在进行所述精密加工后，利用目测检测所述内部冷却光学反射镜外部是否完整，利用三坐标测量外部尺寸，利用粗糙度仪检测表面粗糙度情况，并利用检漏仪检测内部微通道与连接件的气密性。
6.一种采用根据权利要求1～5中任意一项所述的制备方法制备的内部冷却光学反射镜。
7.根据权利要求6所述的内部冷却光学反射镜，其特征在于，所述内部冷却光学反射镜包括：反射镜本体，设置于所述反射镜本体内部的流体通道，以及将所述流体通道与外部流体管道连接起来的连接件。
8.根据权利要求7所述的内部冷却光学反射镜，其特征在于，所述反射镜本体的整体结构为立方体、长方体或圆柱体。
9.根据权利要求7所述的内部冷却光学反射镜，其特征在于，所述反射镜本体内部的流体通道包括多条微通道，所述多条微通道之间为串行排列或并行排列。
10.根据权利要求7所述的内部冷却光学反射镜，其特征在于，所述连接件包括两个，所述两个连接件分布于所述反射镜本体的两端或一端。
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