[实用新型]热补偿可控波相差复合微变形镜

说明书

技术领域

本实用新型属于激光光学谐振腔技术，具体涉及一种热补偿可控波相差复合微变形镜，本实用新型主要用于不方便水冷场合的高能激光器光学谐振腔和光学链。

背景技术

激光光学谐振腔由于吸收激光能量不均匀，导致镜面温度不均匀(如图1所示)，造成镜面面型变形，引起激光波阵面畸变，造成输出光束质量和稳定性下降。随着激光功率越来越高，这个问题越来越突出。对于脉冲激光，由于激光器的平均功率越来越高，单脉冲能量越来越大，激光腔镜短时间内承受的热也越来越大，产生的不均匀热变形和相位畸变更为严重。因此，减少镜面的不均匀热变形是高功率激光技术中的关键技术。目前主要从三个方面来降低镜面的不均匀热畸变：选择合适的基底材料，使得镜面在吸收同样的能量下，热变形最小；镀制高反膜，降低镜面对激光的吸收；采用主动冷却技术，降低镜面的温升。镜体材料的选择受限于材料的物理性能、光学加工性能和机械性能，仅仅采用优化基体材料的单一方法已不能满足高能激光对高光束质量的特殊要求；提高镜面的反射率是非常有效的一种手段，目前反射率已经达到99.99％的工艺极限，但仍不能解决日益增长的高能激光器存在镜面畸变的难题；所以，采用主动冷却的第三种方法已成为解决高能激光镜面变形的希望。

水冷一直是高功率激光器常用的主动冷却方案，关于水冷镜的研究主要集中在镜体结构方面，现已在工业界室内场合下广泛引用。通常的水冷镜都是采用水作为冷却介质，对镜子整体进行冷却，导走镜面吸收的激光能量，从而抑制镜子温升，降低热变形。但是这种镜子整体全面水冷的方法有时达不到使用要求，由于镜子总是大于激光辐照区，激光辐照区与镜面非激光辐照区、镜面与背面之间还是存在温度梯度，因而仍然会产生翘曲变形(如图2所示)。采用降低镜子温度梯度而降低镜面不均匀变形的方法，国际上也已有专利。Russell等人采用在激光辐照面用流体冷却，降低镜面温升；而在激光辐照背面采用加热流体，提高镜子背面温度的方法来降低镜子的温度梯度，从而降低镜面变形(US Patent 4253739)；Armier等人(US Patent2005/0002434A1)在此基础上加以改进，省掉了加热的电阻丝，而在流道结构上加以改善，即将通过激光辐照区的流体引入镜子的侧面和背面，利用流体的释放热量来加热镜子的侧面和背面，从而降低镜子的温度梯度。但是采用这种水冷镜对于在野外工作不具备冷却水等场合是不适合的，特别是车载和机载等激光武器场合。

1991年，美国技术公司的John Bluege和Lake Park等人发明了“固—液相变冷却镜”(U.S.Patent 5076348)。该发明采用了超薄镜结构，但基体材料不是铜，而是光学加工性能优良的硅；也采用了主动冷却技术，但不需附加冷却系统，仅仅依靠储存于镜腔内相变材料的相变吸热过程达到冷却目的。他们研制的相变致冷硅镜，镜体尺寸为100mm×100mm，镜面厚度仅1.5mm，当镜面反射率为99.9％时，在1MW强激光辐射下，镜面热变形量为0.05μm，一次连续工作时间可达47s，基本上能满足百万瓦级氧碘化学激光器对全反腔镜的技术要求。程祖海等人也相继发明了“相变致冷超薄多层镜”，“相变致冷窗口”(中国发明专利号：ZL95124931.2，ZL98109199.X)，其原理都是采用物质相变吸热而降低镜面和窗口的温升。通常相变物质采用相变点在25～30℃的物质，如石蜡、金属稼等。该类镜子在强激光作用下已显示出如下问题：相变物质的温度是一定的，难以适应多变的气温；相变物质的导热不够快，当紧挨镜体固体基体边沿的相变物质熔化后，离基体较远的相变物质熔化较慢，难以满足高功率激光特别是脉宽越来越窄的高功率脉冲激光的要求；为了存储相变物质，通常是在基体材料内激光辐照的背面打孔或者切槽来实现，由于加工工艺的限制，相变物质的存量有限，无法满足越来越高的激光功率和越来越长的激光作用时间。

还有一种方法是采用复合材料的方法，利用材料的热胀冷缩系数不一样来降低镜面变形(US Patent 3609589)。典型的是镜子背面材料的热胀冷缩系数大于镜面的，这样在激光作用下，虽然镜面的温升比背面温升大，但产生的热变形则是一样的。这种方法理论上可行，实际中则难以调节，特别是当激光功率的变化时，镜面和背面的温度差发生改变，起不到预想的效果。

另外一种方法是采用半导体制冷片来抽运镜子所吸收的激光能量，研究表明，该方法能够有效降低镜子的温升，但是对降低镜面面型畸变则无能为力。