CN115943328A - 配有冷却系统的反射式光学器件 - Google Patents
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Abstract
一种反射式光学器件(1)，用于传输、变换或校正特别是激光类型的光束(19)，其特征在于，反射式光学器件包括接收光束(19)的镜子(2)、由在镜子后侧紧靠镜子(2)布置的导热流体(7)的中间室(6)构成的初级冷却回路、和由紧靠导热流体(7)的中间室(6)布置的散热器(3)构成的次级冷却回路，所述散热器(3)或呈通过对流或传导冷却的冷质量体的形式，或呈由具有良好导热性的材料制成的板的形式，散热器(3)具有与反射式光学器件的尺寸和形状等同的尺寸和形状。
Description
技术领域
本发明的技术领域是用于特别是激光类型的光束系统中的反射式光学器件及其冷却装置的技术领域。
如公知的，必须使用反射式光学结构来传输激光束、变换光束轮廓、聚焦光束或者修改或校正光束波前。
存在许多种无论在功率还是发射模式或使用的放大介质种类方面不同类型的激光器。
当激光器是高平均功率的激光器时，所使用的反射式光学器件会经受反映为加热的强能量积累。这是有问题的，因为这种加热会导致光学器件的变形，从而引起激光束上的光学畸变、以及光学器件本身的劣化。因此必须以一定频率更换它们，而这将产生用户难以承受的成本费用。
因此，反射式光学器件需要自与环境空气通过对流的自然冷却不再足够时就进行冷却，当反射式光学器件被用于高平均功率(通常为5至20kW)的激光器时就是这种情况。当有关激光器处于真空时这就更加关键，例如那些用于科学实验室中的激光器，如递送的平均功率为10kW(千瓦)或更高的高重复率的PetaWatt激光器，或例如用于微电子行业中的平均功率为1至30kW的连续或伪连续模式激光器。同样存在天文学中的应用，特别是在红外线范围内，以及用于大口径望远镜的空间观测，这些大口径望远镜的光学质量可能会因来自观测场景(地球、明亮星体)的热输入而下降。
背景技术
已知几种冷却系统，它们用于冷却在激光器中使用的反射式光学器件。
例如，Kyohoon Ahn等人于2018年发表在Optics Express第26卷第8期上的文章《具有整体冷却通道的CVD SiC可变形镜子》(CVD SiC deformable mirror withmonolithic cooling channels)描述了一种由水在其中流通的通道组成的镜子冷却系统，这些通道在镜子本身的厚度内形成，镜子由压电致动器致动。因此，该系统需要对镜子本身进行干预，这总是很难实现的。
专利US-4657358描述了一种由垂直于镜子的通道冷却的可变形镜子，每个通道包含在每个致动器的轴中并形成围绕每个致动器的头部的小的圆形室。因此，这涉及一种由局部冷却点构成的系统，从而限制了冷却性能。
专利US-4844603描述了一种冷却的柔性镜子，在所述镜子和其支架之间具有冷却室，该冷却室充填有冷却液。
Jun Ho Lee于2006年6月发表在《韩国光学学会期刊》(Journal of the OpticalSociety of Korea)上的论文《用于高功率激光器的冷却可变形双晶镜》(A Cooleddeformable bimorph mirror for a high power laser)描述了一种对流和传导式冷却系统，对流由包含在反射面下并且水作为冷却液在其中流通的斜向压花确保，传导由包含在压花中的金属涂层确保。
Libor
等人于2015年1月发表在国际光学工程学会SPIE论文集(Proceedings of SPIE,the international Society of optical Engineering)上的文章《用于高功率激光器应用的可变形镜子》(Deformable mirror for high power laserapplications)描述了一种通过致动器可变形的镜子，该镜子由压力冷却液沿镜子后表面穿过所述表面的六角形结构来进行冷却。
B.S.Vinevich等人于1998年发表在《量子电子学》(Quantum Electronics)上的文章《用于工业激光器系统的冷却和非冷却单通道可变形镜子》(Cooled and uncooledsingle-channel deformable mirrors for industrial laser Systems)描述了包含在镜子中并且冷却液在其中流通的倾斜压花系统。
Zhengxiong Zhu等人2017年11月发表在Optics Express上的文章《带水冷的单晶可变形镜子的发展》(Development of a unimorph deformable mirror with watercooling)描述了一种冷却系统，其中冷却液穿过镜子后表面在冷却腔中流通。在镜子周边的冷却单元使冷却液保持在20℃的恒定温度。
然而，这些不同的系统都具有一些缺点或弊端。
事实上，允许用空气或冷却液在镜子后表面上在周边冷却镜子的系统不能在高平均功率的激光器的情况下产生足够有效的以有用的冷却。这些冷却系统在镜子的有效表面处产生温度梯度，这对镜子光学质量是不利的。
至于液体在镜子后表面上流通来进行冷却的冷却系统，尽管它们具有出色的热效率，但冷却液泵浦的脉动会导致激光束中出现动态光学缺陷。
最后，通过冷却液在位于镜子厚度内或紧靠镜子后表面就位的一组通道中流通来进行冷却的冷却系统则由于因冷却通道的热足迹造成激光束上出现的光学畸变，导致镜子的光学质量下降。此外这涉及制造复杂和昂贵的一些系统。
发明内容
本发明提出了一种用于冷却用在观察装置、望远镜、高平均功率的激光器和对热效应敏感的光学装置中的反射式光学器件的冷却系统，其没有现有技术中存在的缺点和限制。
本发明涉及一种反射式光学器件，用于传输、变换或校正特别是激光类型的光束，其特征在于，反射式光学器件包括接收光束的镜子、由在镜子后侧紧靠镜子布置的导热流体的中间室构成的初级冷却回路、和由紧靠导热流体的中间室布置的散热器构成的次级冷却回路，所述散热器或呈通过对流或传导冷却的冷质量体的形式，或呈由具有良好导热性的材料制成的板的形式，散热器具有与反射式光学器件的尺寸和形状等同的尺寸和形状。
根据本发明的一实施方式，构成散热器的板在板厚度内具有通道，使传热流体在通道中流通。
根据本发明的另一实施方式，镜子是后表面上装有致动器的可变形镜子，每个致动器通过孔穿过散热器和导热流体的中间室。
有利的是，每个致动器配有能在开设于散热器中的孔内平移活动的活动头，导热流体在孔中围绕活动头流通。
还有利的是，孔由密封环封闭。
根据本发明的又另一实施方式，集成在散热器中的所述通道呈螺旋环圈的形式，具有入口点和出口点。
有利的是，传热流体进入通道的入口点位于散热器的中心附近。
还有利的是，传热流体流到通道外的出口点位于散热器的周边附近。
根据本发明的又另一实施方式，镜子、导热流体的中间室和散热器在机械上相联结以形成整体块。
根据本发明的又另一实施方式，所述反射式光学器件借助支架固定在散热器上。
根据本发明的又另一实施方式，构成散热器的导热材料是金属，优选是铜。
根据本发明的又另一实施方式，导热流体的中间室可能与膨胀箱相连接。
对于较低的平均功率，可能适合用冷质量体代替具有传热流体通道的块，其中冷质量体通过例如在冷板背面设置的翅片进行强制对流或自然对流来进行冷却，和/或由于冷质量体与真空外壳(例如在真空设备的情况下)的热连接而通过传导进行冷却。
根据本发明的冷却系统的第一优点是它可适用于固定镜子和可变形镜子。穿过散热器开孔以使致动器通过而接触可变形镜子即可。
本发明的另一优点在于，冷却系统可以适应所有形状的镜子：平面、抛物线、矩形、圆形等。
本发明的又另一优点在于，冷却系统可以适应截面可从几平方厘米到超过2500平方厘米之间不等的激光束的大范围功率。
本发明的又另一优点是冷却回路不接触镜子。因此，回路中的压力波动不会影响镜子的几何形状，因此不会影响其光学功能。
本发明的又另一优点在于，镜子的反射面和散热器之间的热阻很低，这可使冷却非常有效。
本发明的又另一优点是镜子可以由具有良好光学性能但导热性能中等的材料(玻璃和玻璃或硅衍生物)制成。
本发明的又另一优点在于，借助膨胀箱和冷却室中导热流体的压力调整来校正镜子在重力作用下的静态变形。
本发明的又另一优点在于，冷却系统允许在镜子的几乎整个表面上进行热交换。
本发明的又另一优点在于，冷却系统为两级式，第一级由冷却室中存在的导热流体构成，第二级由在散热器中存在的冷却通道内流通的传热流体构成，两级组合则产生有效且均匀的冷却效果。
本发明的又另一优点是，散热器是由导热材料制成的，其温度是均匀的，没有可能干扰反射式光学器件工作的热变化。
附图说明
通过阅读以下参照附图进行的补充说明，将更好地理解本发明的其它的特点、优点和细节，附图中：
图1示出具有本发明的冷却系统的刚性的反射式光学器件；
图2示出具有本发明的冷却系统的可变形的反射式光学器件；
图3示出图2的散热器沿轴线X-X’的横剖面，以及
图4示出固定支架的一种特殊布置。
具体实施方式
现在将以更多细节对本发明进行描述。如上所述，这涉及冷却反射式光学器件，以避免其在热效应下发生变形，从而使光学畸变最小化。
图1中以剖面图示出反射式光学器件1，反射式光学器件包括镜子2，在该例中是平面镜子2a，镜子将例如激光类型的入射光束19反射到另一光路。
镜子2通过支架4固定在散热器3上。支架4与一个或多个密封部件5配合，限定中间室6，中间室位于镜子2和散热器3之间。支架4优选是无定向支架，因此防止散热器3和镜子2之间以及中间室6和镜子2之间的运动或压力波动的传递。
因此，在具有十个支架的构造中，如图4所示，例如可以设置七个无定向支架4和三个固定支架20。中间室6充填有导热流体7。中间室6与膨胀箱8相连通，膨胀箱允许调整所述室内的导热流体7的压力。
散热器3是镜子2靠置在其上的支撑块。散热器具有开有冷却通道16的内部结构，传热流体9在冷却通道中流通。
图1中可看到散热器3具有与镜子的接触面相等的接触面。不言而喻，该散热器可以具有不同的或更大或更小的面。
对于较低平均功率，可能适合用冷质量体代替具有传热流体9通道16的块，其中冷质量体通过例如在冷板背面设置的翅片进行强制对流或自然对流来进行冷却，和/或由于冷质量体与真空外壳(例如在真空设备的情况下)的热连接而通过传导进行冷却。有利的是，所述冷质量体具有良好的导热性和良好的比热。良好的导热性或良好的比热意指如由铜提供的数值的一些数值。
被冷却的冷质量体另外可以呈例如由铜制成的金属质量体的形式。
反射式光学器件1和散热器3靠置在集成于未示出的激光器组件中的支架10上。
图2示出由与根据本发明的冷却系统相联结的可变形镜子2b构成的反射式光学器件1。
致动器11由支架10支撑。这些致动器穿过散热器3和中间室6，以通过活动头14与镜子2b的后表面接触。致动器的结构是公知的，不必更完整地描述它。
散热器3配有一些孔13，这些孔允许这些致动器11以一定间隙通过。每个孔13都用密封环15封闭，以确保导热流体7保持在中间室6中。
以与固定的反射式光学器件的情况相同的方式，图2示出镜子2，填充有导热流体7的中间室6开放于镜子背后。镜子2通过支架4靠置在散热器3上。
一个或多个密封部件5沿着中间室6边缘布置。如同前面，散热器3包括用于传热流体9流通的通道。
理解的是，结合图1和图2描述的组件允许借助中间室6将热量分布于镜子2a或2b的整个后表面上，避免了任何温度梯度。当温度升高时，由镜子2a或2b传递的热量致使液体7在中间室6和膨胀箱8中循环。另一方面，由于液体7的水力惯性，中间室6允许减少镜子2a或2b的变形。
中间室6和膨胀箱8组件允许补偿和控制镜子2的变形。通过修改膨胀箱8相对于中间室6的高度，可以改变中间室6抵抗镜子2变形的阻力。由于没有热点，镜子2a或2b所接收的热量是均匀分布的。
因此，镜子2a或2b所接收的热量的排放借助传热流体9在其中流通的散热器3而得以确保。
当激光束19是高平均功率光束时，镜子2接收到使其温度升高的高载能负荷。这种热载荷被传输给导热流体7，然后传输给散热器3，以实现热流的扩散和均匀分布，从而允许按第一级进行冷却。
第一扩散级之后紧接第二级，在第二级中，散热器3继而被在散热器3中形成的通道16内流通的传热流体9冷却。
因此这涉及一种两级式冷却系统。该系统允许有效和均匀地冷却集成有该系统的反射式光学器件。
图3示出在散热器厚度中通道16处沿轴线X-X’剖切的散热器3的横剖面。可以看出，该条通道16描画出界定一定数量的相互靠近的圈环的一条路径。因此，镜子2a或2b可以在其整个表面上被均匀地冷却。
该条通道16循沿几乎整个的散热器3面布设，其流体进入的入口点17巧妙地位于散热器的中心区域，流体流出的出口点18则位于散热器的周边处。当然这种构造是优选的，但根据镜子的形状和尺寸以及它所接收的能量，也可以采用任何其他构造。
用于致动器通过的孔13分布在不同圈环之间的整个的散热器面上。
镜子2可以经过抛光。它也可以被涂覆有或未涂覆有允许反射激光束的处理。反射处理可以是施涂在光学器件上的金属或电介质类型的涂层，或者是这两者的组合，从而允许达到99％或更高的反射率。
可替换地，镜子由导热材料制成，导热材料例如是易于抛光的金属如铜或硅。也可以使用二氧化硅基基质以获得最佳的光学质量，但冷却能力会降低。
导热流体7可以是例如Galinstan，传热流体9可以是水。
Claims (12)
1.一种反射式光学器件(1)，用于传输、变换或校正特别是激光类型的光束(19)，其特征在于，反射式光学器件包括接收光束(19)的镜子(2)、由在镜子后侧紧靠镜子(2)布置的导热流体(7)的中间室(6)构成的初级冷却回路、和由紧靠导热流体(7)的中间室(6)布置的散热器(3)构成的次级冷却回路，所述散热器(3)或呈通过对流或传导冷却的冷质量体的形式，或呈由具有良好导热性的导热材料制成的板的形式，散热器(3)具有与反射式光学器件的尺寸和形状等同的尺寸和形状。
2.根据权利要求1所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，构成散热器(3)的板在板厚度内具有通道(16)，使传热流体(9)在通道中流通。
3.根据权利要求1或2所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，镜子(2)是后表面上装有致动器(11)的可变形镜子，每个致动器(11)通过孔(13)穿过散热器(3)和导热流体(7)的中间室(6)。
4.根据权利要求3所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，每个致动器(11)配有能在开设于散热器(3)中的孔(13)内平移活动的活动头(15)，导热流体(7)在孔(13)内围绕活动头(14)流通。
5.根据权利要求4所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，孔(13)由密封环(15)封闭。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，集成在散热器(3)中的所述通道(16)呈螺旋环圈(16)的形式，螺旋环圈循沿散热器面布设并具有入口点(17)和出口点(18)。
7.根据权利要求6所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，传热流体(9)进入通道的入口点(17)位于散热器(3)的中心附近。
8.根据权利要求6或7所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，传热流体(9)流到通道外的出口点(18)位于散热器(3)的周边附近。
9.根据前述权利要求中任一项的反射式光学器件(1)，其特征在于，镜子(2)、导热流体(7)的中间室(6)和散热器(3)在机械上相联结以形成整体块。
10.根据前述权利要求中任一项的反射式光学器件(1)，其特征在于，所述反射式光学器件借助支架(4)固定在散热器(3)上。
11.根据前述权利要求中任一项的反射式光学器件(1)，其特征在于，构成散热器(3)的导热材料是金属，优选是铜。
12.根据前述权利要求中任一项所述的反射式光学器件(1)，其特征在于，导热流体(7)的中间室(6)能够与膨胀箱(8)相连接。
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