[发明专利]一种微孔液体冷却不变形镜及其制作方法无效

专利信息
申请号: 201010201350.6 申请日: 2010-06-17
公开(公告)号: CN101859976A 公开(公告)日: 2010-10-13
发明(设计)人: 朱海红;程祖海;左都罗;谢明杰;何崇文;胡攀攀 申请(专利权)人: 华中科技大学
主分类号: H01S3/08 分类号: H01S3/08;G02B5/08
代理公司: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 朱仁玲
地址: 430074 湖北*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 一种 微孔 液体 冷却 变形 及其 制作方法
【说明书】:

技术领域

发明属于激光光学谐振腔领域,具体涉及一种液体冷却不变形镜及其制作方法,主要用于高功率密度和面型要求高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。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。

采用液体冷却(通常采用水)一直是高功率激光器常用的主动冷却方案,液体冷却不变形镜已经得到了广泛应用。常规的液体冷却不变形镜结构如图2所示,由镜面、液体流动层和镜架组成。镜面与液体流动层通过钎焊或者其他连接方法连接成一体。镜面在激光辐射下,吸收热量,通过热传导造成整个镜体温升;液体流动层内的液体流动时通过热传导和热对流带走镜面吸收的热量,从而抑制镜子温升,降低热变形。镜架为整个镜子提供支撑和进出液体通道。液体冷却不变形镜的换热效果与液体种类、液体流量和液体流动层的结构形状有关。液体种类通常受液体的物理性能和价格限制,能采用的种类有限,常用的液体有水、导热防冻防锈液,其中水以价廉、热容大得到了广泛的应用。液体流量大,可以得到大的雷诺数,得到有益于换热的流动方式和大的换热系数。但是大的液体流量会对镜面带来冲击,从而带来附加变形。所以液体流量在实际使用中有一定限制。因此在实际液体冷却不变形镜的研制中,合适的流道结构和形状一直是提高液体冷却不变形镜换热效果的主要方法。合适的流动层结构和形状,在液体种类和流量一定时,不仅可以得到大的换热系数而且可以提高换热面积,从而增大换热效果,带走更多的热量,降低镜面的热变形。通常受制于加工条件,液体流动层内的液体流动通道通常是沟槽结构,沟槽的形状为矩形、圆柱型以及半圆形(如图2所示),沟槽越窄,换热效果越好。目前,液体冷却不变形镜的液体流动通道大都是采用机械加工的方法来制作。由于机加工水平的限制,其通道的宽度通常在mm量级,这种宽度的液体冷却不变形镜由于沟道宽,对于高功率激光,为增大换热系数,需要的液体流量大,大流量液体对镜面造成冲击从而使得镜面发生冲击变形;此外该种液体冷却不变形镜由于换热面积有限,换热效果较差,因而有时会达不到使用要求,特别是对于越来越大功率的激光。

采用流体带走镜面所吸收的热量,从而抑制温升,可以有效降低镜子温度梯度从而降低镜面不均匀变形。现在所用的液体冷却不变形镜均基于这个原理。液体冷却不变形镜的换热效果与温度差、镜子材料、结构以及流体的特性、流量等都有密切联系。有三种方法可以增加换热效果:增加流量、增大换热面积、使流体工作在紊流状态。增加流量由于存在流体对镜面冲击大而作用有限。所以人们一直在寻找增加换热面积和改变流体流动状态的方法。微沟槽和微孔液体冷却不变形镜由于存在微尺度效应、极大的表面积/体积比以及微扰动引起的附加换热作用,可以大大增强换热效果,从而降低镜面的变形,因此其效率高,性能优于常规液体冷却不变形镜。因此在激光功率越来越来高的今天得到了广泛的关注。

但是微沟槽液体冷却不变形镜由于存在沟道和实体区,镜子的刚性不均匀,因而加工后特别是镀膜后由于应力释放镜面产生不均匀变形。采用连通微孔技术则能避免这种缺陷,实现良好的光学加工性能。

采用泡沫铜可以制作这种微孔层。但是泡沫铜与镜面的焊接则是难以解决的难题。钎焊时,熔化的钎料在毛细力的作用下进入泡沫铜的微孔内,堵塞泡沫铜的微孔,从而使液体无法畅通。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微孔液体冷却不变形镜及其制作方法,采用该方法,可以很方便地制作不变形的微孔液体冷却不变形镜,该方法制作出来的镜子能够在冷却液体流量较小时,依靠大的换热面积和微尺度效应,增大换热效果,降低镜面温升和变形。

采用的具体技术方案如下:

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