[发明专利]一种微孔金属冷却镜及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于激光光学谐振腔领域，具体涉及一种微孔金属冷却镜及其制作方法，主要用于高功率密度和面型要求较高的高能激光器光学谐振腔和光学链。

背景技术

激光光学谐振腔腔镜和光学链中的反射镜由于吸收激光能量，导致镜面温升，造成镜面面型改变，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热畸变：选择合适的基底材料和装夹方式，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，但反射率的提高受限于镀膜材料和镀膜工艺，无法短期内大幅度提高。目前激光反射镜的反射率已经相当高，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，也是最常用的方法。

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，液体冷却镜已经得到了广泛应用。常规的液体冷却镜结构如图1所示，由镜面1、流槽层5和镜架4组成。镜面1与流槽层5通过钎焊或者其他连接方法连接成一体。镜面1包含二个面：激光福照面6和背面7。在激光辐射下，激光福照面6吸收热量，通过热传导造成整个镜体温升；流槽层5的流槽是液体流动通道，冷却液体通过流槽时通过热传导和热对流带走镜面1吸收的热量，从而抑制镜子温升，降低热变形。镜架4通常包含至少二个液体通道口8，镜架4为整个镜子提供支撑以及为流槽层5提供进出液体通道口。液体冷却镜的换热效果与液体种类、液体流量和流槽的结构形状有关。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，合适的流槽结构形状一直是提高液冷镜换热效果的主要方法。合适的流槽形状，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，此外还有可能改变流体的流动状态，从而增大换热效果，带走更多的热量，降低镜面的热变形。

受制于加工条件，流槽的形状通常为矩形、圆柱型以及半圆形。过去的研究表明：流槽越窄，换热效果越好。常规液体冷却镜液体流槽现都是采用机械加工的方法来制作。由于机加工水平的限制，其流槽的宽度通常在mm量级，这种宽度的水冷镜由于流槽宽，对于高功率激光，为增大换热系数，需要的水流量大，大流量水对镜面造成冲击从而使得镜面发生冲击变形；此外该种水冷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。

微流槽和微孔水冷镜具有高传热系数、高表面积/体积比、低传热温差、低流动阻力等特点，此外微孔微流槽由于存在微尺度效应以及微扰动引起的附加换热作用，可以大大增强换热效果，因此其效率高，性能优于常规水冷镜，在激光功率越来越来高的今天得到了广泛的关注。虽然现在采用线切割等工艺能使水道宽度达到0.1mm的水平，大大提高了换热效果，但是这种宽度的流槽还是太宽，而且加工速度慢，工艺复杂，能加工流槽形状有限。此外，这种亚mm级的微流槽镜由于存在流槽和实体区，因而加工后特别是抛光、镀膜后由于应力释放，镜面易产生不均匀附加变形，流槽越宽，这种附加变形越大。采用微孔技术则能避免这种缺陷。

采用激光烧结技术可以制作微孔冷却镜(ZL201010201350.6)，但是采用该方法制作的微孔分布和尺寸都难以控制，使得镜子的散热能力和面型难以保证。

泡沫金属在基体中均匀分布有大量连通或不连通孔洞，其孔隙分布和尺寸都是固定的，因而采用泡沫金属来作为微通道镜的微孔层，可以使冷却镜的散热能力和面型得到保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微孔金属冷却镜，这种冷却镜能够在小流量冷却液时依靠自身较大的换热面积和微尺度效应，增大换热效果，减少镜面温升和畸变；本发明还提供了该冷却镜的制作方法，采用该方法，可以制作分布和尺寸稳定的多孔冷却镜。