CN115566515B - 高功率激光内光路热效应抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率激光内光路热效应抑制装置，包括加载镜片和设置在加载镜片正上方的“J”形板组件，“J”形板组件包括未设通气孔的第一“J”形板和设有通气孔的第二“J”形板，且第一“J”形板靠近激光内光路通道；通过在“J”形板组件内设置圆弧结构，并使整个高功率激光内光路热效应抑制装置与箱体壁面采用夹持的方式进行连接固定，实现了抑制装置与承光结构区域无接触式连接，并使该装置能够适用于其他激光系统。本发明提出的高功率激光内光路热效应抑制装置，可在激光系统出光时，使内光路空间流场升温时热湍流气体随浮力上升回流后得到分散，避免热湍流气体回流至通光区域，从而抑制激光内光路热效应。

Description

高功率激光内光路热效应抑制装置

技术领域

本发明涉及激光系统技术领域，尤其涉及一种高功率激光内光路热效应抑制装置。

背景技术

激光内光路是指激光在封闭光机结构中传输的光链路，激光在内光路中传输时，内光路中的通光介质气体吸收激光能量而被加热，激光对内光路流场的非均匀加热会引起气体密度的起伏，密度随空间位置的起伏又会导致其光学折射率的变化，导致激光在内光路中传输的光束波前相位发生畸变，发射及成像光束质量劣化。特别是在小内径的内光路结构中，激光的功率密度相对较高、无强迫对流的情况下，激光加热气体引起的热晕效应非常明显。因此，采用合适的方法和手段抑制内光路中的热效应已成为激光系统向更高功率发展过程中亟待解决的关键问题。

为减小介质对激光内光路的热效应，目前常采用吹风的方法，使介质垂直光轴流动，减少热积累。柳建等人于2014年在《光学精密工程》上发表的“镜面热变形及吹气流场对光束的联合影响”论文，采用吹风的方法有效抑制了激光热效应，但是吹风的方法会引起湍流，使得光束质量下降。申请号为CN 202011625829.2的专利“一种激光通道冷却结构及冷却方法”中，通过在激光通道外壁设置冷却通道，利用逆向吹惰性冷却气体的方式降低通道内气体温度，避免产生气体热效应。上述方法需要不断输入惰性气体，在实际工程应用中较难实施。无论是吹风还是冷却通道降低气体热效应的方式，均存在抑制效率不高和可行性低的缺陷，因而也不适用于高功率激光装置内光路热效应的抑制。

有鉴于此，有必要设计一种改进的高功率激光内光路热效应抑制装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率激光内光路热效应抑制装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高功率激光内光路热效应抑制装置，包括加载镜片和设置在所述加载镜片正上方的“J”形板组件；

所述“J”形板组件包括并排设置的第一“J”形板和第二“J”形板，所述第二“J”形板上分布有通气孔，所述第一“J”形板上未设置所述通气孔。

优选的，所述第一“J”形板和所述第二“J”形板呈镜面对称设置于所述加载镜片正上方，且所述第一“J”形板靠近激光内光路通道。

优选的，所述第一“J”形板和所述第二“J”形板相靠近的一侧均为圆弧结构。

优选的，两个所述圆弧结构之间的距离不小于所述加载镜片的厚度。

优选的，所述通气孔在所述第二“J”形板上呈n行×m列的阵列分布，其中，n、m均为大于0的自然数。

优选的，所述通气孔的孔径自所述第二“J”形板的圆弧结构一侧至与所述圆弧结构相对的一侧逐渐增大。

优选的，所述通气孔的孔径不超过20mm。

优选的，所述圆弧结构的顶端与所述加载镜片的顶端之间的距离为10~20mm。

优选的，所述“J”形板组件的表面粗糙度不超过Ra0.8。

优选的，所述高功率激光内光路热效应抑制装置与箱体壁面通过夹持的方式连接固定。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的高功率激光内光路热效应抑制装置，包括加载镜片和设置在加载镜片正上方的“J”形板组件，“J”形板组件包括未设通气孔的第一“J”形板和设有通气孔的第二“J”形板，且第一“J”形板靠近激光内光路通道；通过上述方式可在激光系统出光时，激光光束通过激光内光路通道到达加载镜片上对镜片进行加热，该过程中内光路空间流场升温热湍流气体随浮力上升，在第一“J”形板和第二“J”形板的限制作用下，热湍流气体从两圆弧结构之间向上运动，到达箱体顶部后热湍流气体在封闭箱体的阻碍作用下向下运动，热湍流气体向下运动过程中，靠近激光光源一侧的第一“J”形板可对热湍流气体进行阻碍，避免热湍流气体回流至通光区域，同时，设有通气孔的第二“J”形板可对回流的热湍流气体进行分散，通过上述两种作用即可有效减小因热湍流气体回流带来的二次热效应，避免激光系统出光时加载镜片附近持续升温，达到抑制激光内光路热效应的目的，保障了激光系统的发射及成像光束质量。通过上述方式，有效解决了现有技术中利用吹风和冷却通道抑制内光路热效应存在的效率低的缺陷。

2、本发明提出的高功率激光内光路热效应抑制装置，通过在“J”形板组件内设置圆弧结构，并使整个高功率激光内光路热效应抑制装置与箱体壁面采用夹持的方式进行连接固定，实现了抑制装置与承光结构区域无接触式连接，进一步拓展了高功率激光内光路热效应抑制装置在其他激光系统内光路热效应抑制上的应用，提升了高功率激光内光路热效应抑制装置的实用性和普适性。

附图说明

图1为本发明的高功率激光内光路热效应抑制装置的结构示意图；

附图标记如下：

1、激光内光路通道；2、加载镜片；3、“J”形板组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1所示，本发明提出的高功率激光内光路热效应抑制装置，包括加载镜片2和设置在加载镜片2正上方的“J”形板组件3，“J”形板组件3包括并排设置的第一“J”形板和第二“J”形板，第一“J”形板和第二“J”形板相靠近的一侧均为圆弧结构，两个圆弧结构之间的距离不小于加载镜片2的厚度，两“J”形板上有圆弧结构的一端为顶端，与圆弧结构相对的一端为底端；第一“J”形板和第二“J”形板上带有圆弧结构的一端相互靠近，第一“J”形板和第二“J”形板呈镜面对称设置于加载镜片2的正上方，由激光光源发出的激光光束通过激光内光路通道1从加载镜片2上靠近第一“J”形板的一侧进入整个高功率激光内光路热效应抑制装置。需要说明的是，图1中所示的激光内光路通道1仅用于示意，其并不等同于实际光路。

进一步地，第二“J”形板上设有若干圆孔状的通气孔，特别地，通气孔在第二“J”形板上呈n行×m列的阵列分布，其中，n、m均为大于0的自然数，横向方向上两相邻通气孔之间的距离相等，纵向方向上两相邻通气孔之间的距离也相等，且通气孔的孔径自圆弧结构一侧至底端一侧逐渐增大；“J”形板组件3的表面粗糙度不超过Ra0.8。

特别地，本发明还提供了上述装置的使用方法，具体包括如下步骤：

S1、确定加载镜面2的位置，根据镜片直径预留合适高度，便于后续固定“J”形板组件3；

S2：确定抑制装置圆弧结构端与加载镜面2之间的距离后，以加载镜面2为中心，在加载镜面2的正上方放置第一“J”形板和第二“J”形板，整个过程中保证第一“J”形板与激光内光路通道1同侧，第二“J”形板与激光内光路通道1异侧；

S3：完成步骤S1和步骤S2定位布置和抑制结构放置后，通过夹持使抑制装置与箱体壁面连接固定。

本发明的工作机理：来自激光光源的高功率激光光束通过激光内光路通道1到达加载镜片2后，激光光束对加载镜片2进行加热，加热过程中热湍流气体向上蔓延，在第一“J”形板和第二“J”形板的限制作用下，热湍流气体从两圆弧结构之间向上运动，向上运动的热湍流气体在封闭箱体的阻碍作用下向下运动，到达第二“J”形板上，并穿过第二“J”形板上的通气孔，如此即可使内光路空间流场升温时热湍流气体随浮力上升回流后进行分散，与此同时，未设通气孔的第一“J”形板则可以对热湍流气体进行阻挡，避免热湍流气体回流至通光区域，实现抑制激光内光路热效应的目的。

下面结合具体的实施例对本发明的高功率激光内光路热效应抑制装置作进一步说明：

实施例1

本实施例中提出了一种高功率激光内光路热效应抑制装置，包括加载镜片2和设置在加载镜片2正上方的“J”形板组件3，“J”形板组件3包括并排设置的第一“J”形板和第二“J”形板，两“J”形板上有圆弧结构的一端为顶端，与圆弧结构相对的一端为底端，第一“J”形板和第二“J”形板上带有圆弧结构的一端相互靠近，第一“J”形板和第二“J”形板呈镜面对称设置于加载镜片2正上方，由激光光源发出的激光光束1从加载镜片2上靠近第一“J”形板的一侧进入整个激光内光路热效应抑制装置中。其中，第一“J”形板和第二“J”形板的尺寸为长240mm、宽90mm、厚度2mm，圆弧结构的半径为25mm；第二“J”形板上设有3行×7列的通气孔，横向方向上两相邻通气孔孔心之间的间隔为30mm，纵向方向上两相邻通气孔孔心之间的间隔为20mm，通气孔的孔径由圆弧结构至底端一侧的孔径逐渐增大，分别为5mm、10mm和15mm；特别地，“J”形板组件3的材质为经过抛光处理的铝合金，其表面粗糙度不超过Ra0.8。

本实施例的高功率激光内光路热效应抑制装置的使用方法，包括如下步骤：

S1、固定加载镜面2，并在加载镜面2的顶端预留30mm高度的空间便于后续固定“J”形板组件3；

S2：以加载镜面2的镜面为中心，将“J”形板组件3的第一“J”形板和第二“J”形板放置于加载镜面2正上方，并使第一“J”形板和第二“J”形板的圆弧结构顶端与加载镜面2的顶端保持10mm的距离，整个过程保证第一“J”形板与激光内光路通道1同侧，第二“J”形板与激光内光路通道1异侧；

S3：完成步骤S1和步骤S2定位布置和抑制结构放置后，通过夹持使抑制装置与箱体壁面连接固定。本实施例中，抑制装置通过夹持的方式固定于箱体壁面上，本领域技术人员应当理解，在另一些实施例中，也可以采用其他的方式进行固定，此处不以此为限。

本实施例还探究了施加抑制装置前后加载镜面2周围的温度分布情况，具体地，施加抑制装置前，来自激光光源的激光光束在到达加载镜面2后，加载镜面2周围的气体被加热，此时，热湍流蒸汽主要包围在加载镜面2周围，该过程中加载镜面2周围的最高温度为309K；而施加抑制装置后，由于抑制装置的存在，加载镜面2周围的热湍流蒸汽得到有效分散，热湍流蒸汽不再环绕于加载镜面2的周围，该过程中加载镜面2周围的最高温度为307K，与施加抑制装置前相比，加载镜面2周围的温度降低2K，结果表明抑制装置的施加能够有效阻断热湍流蒸汽，进而降低加载镜面2周围的温度，并降低热效应对激光光束传输过程的影响。

综上所述，本发明提出的高功率激光内光路热效应抑制装置，包括加载镜片2和设置在加载镜片2正上方的“J”形板组件3，“J”形板组件3包括未设通气孔的第一“J”形板和设有通气孔的第二“J”形板，且第一“J”形板靠近激光内光路通道1，通过上述方式可在激光系统出光时，利用设有通气孔的第二“J”形板，使内光路空间流场升温时热湍流气体随浮力上升回流后得到分散，并借助于第一“J”形板对回流的热湍流气体进行阻挡，避免热湍流气体回流至通光区域，减小因热湍流气体回流带来的二次热效应，达到抑制激光内光路热效应的目的，保障了激光系统的发射及成像光束质量。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，包括加载镜片和设置在所述加载镜片正上方的“J”形板组件；

所述“J”形板组件包括并排设置的第一“J”形板和第二“J”形板，所述第二“J”形板上分布有通气孔，所述第一“J”形板上未设置所述通气孔，所述第一“J”形板和所述第二“J”形板呈镜面对称设置于所述加载镜片正上方，且所述第一“J”形板靠近激光内光路通道；

所述第一“J”形板和所述第二“J”形板相靠近的一侧均为圆弧结构。

2.根据权利要求1所述的高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，两个所述圆弧结构之间的距离不小于所述加载镜片的厚度。

3.根据权利要求1所述的高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，所述通气孔在所述第二“J”形板上呈n行×m列的阵列分布，其中，n、m均为大于0的自然数。

4.根据权利要求1所述的高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，所述通气孔的孔径自所述第二“J”形板的圆弧结构一侧至与所述圆弧结构相对的一侧逐渐增大。

5.根据权利要求1所述的高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，所述通气孔的孔径不超过20mm。

6.根据权利要求1所述的高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，所述圆弧结构的顶端与所述加载镜片的顶端之间的距离为10~20mm。

7.根据权利要求1所述的高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，所述“J”形板组件的表面粗糙度不超过Ra0.8。

8.根据权利要求1所述的高功率激光内光路热效应抑制装置，其特征在于，所述高功率激光内光路热效应抑制装置与箱体壁面通过夹持的方式连接固定。

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