一種大口徑激光液冷鏡構(gòu)型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種液體冷卻反射鏡結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種大口徑激光液冷鏡構(gòu)型，主要用于高功率密度和面形精度要求高的高能激光器光學(xué)諧振腔和光學(xué)鏈。
【背景技術(shù)】
[0002]激光光學(xué)諧振腔鏡在接受激光輻照時會吸收一部分能量，導(dǎo)致鏡面溫度升高，由于熱擴散作用，鏡面溫升不均勻，熱變形也不均勻，進而造成鏡面面形精度變差，引起激光波陣面畸變，惡化輸出光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，降低反射面的熱畸變并提高面形精度是高功率激光諧振腔鏡研制的關(guān)鍵。當(dāng)前的解決方案主要分為三個方面:選擇熱膨脹系數(shù)低的基體材料，使得反射面在吸收同等熱量下，熱變形最小；在反射面上鍍高反膜，提高反射率，降低鏡面對激光能量的吸收率；采用主動冷卻技術(shù)，轉(zhuǎn)移反射面沉積的熱量，從而降低其溫升。由于鏡體材料的選擇受限于材料的物理性能、光學(xué)加工性能以及機械性能，僅采用優(yōu)化基體材料的單一方法已不能滿足高能激光對高光束質(zhì)量的特殊要求；提高反射面的反射率是最為直接有效的手段，但當(dāng)前反射率已達到99.99%的工藝極限，仍難以滿足日益增長的高功率需求。因此，采用主動冷卻技術(shù)轉(zhuǎn)移反射鏡面沉積的熱量被認為是目前解決激光諧振腔鏡、特別是高功率諧振腔鏡熱變形的最主要的解決方法。
[0003]在各種冷卻技術(shù)中，液冷技術(shù)因換熱效率高而被普遍采用。在現(xiàn)有液冷鏡結(jié)構(gòu)中，廣泛采用截面尺度在毫米至百微米之間的微細直流道陣列，微細流道陣列可以提供很大的表面積/體積比，從而增強換熱效果，降低反射面的熱變形。并且，直流道結(jié)構(gòu)形式簡單，便于設(shè)計和機械加工。但是，由于直流道存在熱進口效應(yīng)，換熱系數(shù)隨著進口距離的增加而減小，同時受流阻的影響，流體存在沿程壓力損失。這使得流體進出口存在溫度和壓力差，導(dǎo)致反射面溫度不均問題；另外，對于大口徑激光反射鏡，由于激光輻照面積變大，相應(yīng)的水冷區(qū)域面積也要變大，于是流道長度較長，沿程阻力升高，必須提供更高的供液壓力以維持散熱性能。在這種情形下，流體壓力會引起較大的鏡面變形。
[0004]美國專利US4314742提出一種具有多層混疊的螺旋型冷卻流道的激光反射鏡，多條螺旋形流道以鏡面中心為入口流向鏡面邊緣，具有均勻的換熱特性，適于對大直徑尺寸的鏡面進行冷卻；但是冷卻液體在這種鏡體的流道結(jié)構(gòu)內(nèi)流動時同樣會遇到很大的阻力。并且，對于單晶硅等難加工材料，此結(jié)構(gòu)極難加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述內(nèi)容，為解決現(xiàn)有設(shè)計方法的不足，本發(fā)明提出要提出一種冷卻液體流動阻力小且易于加工的大口徑激光液冷鏡構(gòu)型。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種大口徑激光液冷鏡構(gòu)型的設(shè)計方法，用于激光光學(xué)諧振腔及光學(xué)鏈中，通過在微細流道下方設(shè)置若干與其相交的交指型流道，以縮短冷卻液體在微細流道內(nèi)的流動距離。交指型流道又稱為叉指型流道或交叉梳狀流道，是一種梳子形狀的流道結(jié)構(gòu)。
[0008]—種大口徑激光液冷鏡構(gòu)型，包括一塊反射面板、一塊分配板和一塊背板，所述的分配板背面有若干進水一級流道和出水一級流道，分配板正面有平行分布的進水二級流道和出水二級流道；所述的背板上有若干進水孔和出水孔；所述的反射面板的正面為反射面，背面則為寬度0.l-2mm間距0.l_2mm的三級流道；所述的反射面為工作面，受激光輻照并反射激光；所述的分配板背面的若干進水一級流道和出水一級流道分別直接與背板上的進水孔和出水孔相通；所述的進水二級流道相通與進水一級流道相通，出水二級流道與出水一級流道相通，并且進水二級流道和出水二級流道在分配板上間隔排布，形成交指流道結(jié)構(gòu)；反射面板的背面和分配板的正面貼合，反射面板上的三級流道長度方向和分配板上的二級流道長度方向互相垂直。
[0009]本發(fā)明所述的三級流道截面形狀包括矩形、梯形、三角形或半圓形。
[0010]本發(fā)明所述的反射面板、分配板和背板的平面輪廓形狀相同，平面輪廓形狀包括圓形或正多邊形。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0012]1、本發(fā)明由于采用了基于交指型流道的多級冷卻流道結(jié)構(gòu)，可以在較小的通水壓力下為轉(zhuǎn)移反射面沉積熱提供較大流量的冷卻液體，同時使各微細流道內(nèi)冷卻液體壓力和流量分配相對均勻，在反射面上實現(xiàn)了較均勻的散熱，從而抑制了大口徑腔鏡過大的熱畸變。
[0013]2、本發(fā)明相鄰的二級流道分別與進水一級流道和出水一級流道相通，并與三級流道垂直堆疊。作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，二級流道的引流作用使冷卻液體從進水孔流到出水孔，不必流經(jīng)整段細長的三級流道，而只須流經(jīng)三級流道位于兩相鄰二級流道間的部分，從而大大降低了流阻。另外，由于一、二級流道截面尺寸較大，理論上流阻較小，冷卻液體沿程壓力損失也較小，這使得各三級流道位于相鄰兩二級流道間的部分的壓降一致性較好，從而保證所分配到的流量相對均勻，最終實現(xiàn)了反射面各處換熱相對均勻。
[0014]3、本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的直流道液冷鏡，所提出的鏡體新構(gòu)型由于在保留微細流道高換熱效率優(yōu)勢的同時，還具備流阻小、流量均勻和換熱一致性好等特點，更適用于大口徑激光液冷鏡。
[0015]4、本發(fā)明通過分層設(shè)計，保留了直流道結(jié)構(gòu)，避免了過多使用非直線形結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣即便采用單晶硅等難加工材料，也可以使用金剛石砂輪周向磨削加工方式制作鏡體，而這種加工方式相對于化學(xué)刻蝕、電火花、磨頭磨削等加工方式具有加工效率高、精度便于控制和工具磨損小等優(yōu)勢。
[0016]5、本發(fā)明由反射面板、分配板和背板依次堆疊組成，反射面板背面的冷卻流到直接起到散熱作用，其中的液體流動由分配板中的相鄰交指流道壓力差驅(qū)動。通過特殊設(shè)計的交指型流道，大幅減小了冷卻液體的流動阻力，并且，通過分層設(shè)計，即便采用單晶硅等難加工材料，也可以采用傳統(tǒng)磨削加工工藝進行鏡體加工。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)分解圖。
[0018]圖2是一種具有交指型流道的大口徑激光液冷鏡構(gòu)型的部件圖。
[0019]圖3是一種具有交指型流道的大口