專利名稱：一種非等厚鏡面的微孔冷卻鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光光學(xué)諧振腔領(lǐng)域，具體涉及一種非等厚鏡面結(jié)構(gòu)的微孔冷卻鏡，主要用于高功率密度和光束質(zhì)量要求較高的高能激光器光學(xué)諧振腔和光學(xué)傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高能量高功率激光器在科研、軍事、航天和工業(yè)領(lǐng)域都已得到了廣泛的應(yīng)用，并有著良好的應(yīng)用前景。在高能激光系統(tǒng)中，腔鏡表面由于吸收部分激光能量致使鏡體升溫，鏡面發(fā)生熱畸變導(dǎo)致光束質(zhì)量變差，嚴(yán)重制約了高能激光器的應(yīng)用特別是遠(yuǎn)程應(yīng)用。當(dāng)激光能量密度過大時(shí)，還會(huì)引起腔鏡膜層脫落甚至本身炸裂，導(dǎo)致激光器無法正常工作。隨著激光器功率和能量的日益提高，降低鏡面熱變形一直是高能高功率激光器的關(guān)鍵技術(shù)之一。在眾多現(xiàn)有的降低鏡面熱畸變的方法中，主動(dòng)冷卻技術(shù)是最有效和最有前途的方法。其中液體冷卻(水冷)是最常用、應(yīng)用最廣泛的主動(dòng)冷卻技術(shù)。常規(guī)的冷卻鏡結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鏡面1、溝槽層2和鏡架3組成。通常鏡面都是等厚的。一般的冷卻鏡流·體通道都是采用機(jī)械加工的方法來制作，由于機(jī)加工水平的限制，其通道的寬度通常在毫米量級(jí)。隨著機(jī)械加工技術(shù)和方法的不斷進(jìn)步，溝槽截面的形狀和尺寸在不斷減小，但是大體結(jié)構(gòu)相似。為了增加冷卻鏡的換熱能力，國內(nèi)外的設(shè)計(jì)人員主要從以下方面入手用光刻的方法增大鏡面層背面的粗糙度，以增加流動(dòng)阻力(US3781094)；改變冷卻液出入口的設(shè)計(jì)，使相臨近的流道內(nèi)流向相反(US3708223);設(shè)計(jì)不同截面形狀和尺寸的多層流道，流道層之間流向相反或相互垂直(US4378626、US4386825、US4110013)；采用許多垂直于鏡面的直孔結(jié)構(gòu)對(duì)鏡面層進(jìn)行冷卻(US3909118)。此外Frank M. Anthony總結(jié)了多種單層多層流道形狀的冷卻鏡結(jié)構(gòu)，但是所有以上的結(jié)構(gòu)都是采用中空的流道或直孔，而且鏡面層都是等厚度的(Frank M. Anthony. High heat load optics anhistorical overview. Optical Engineering. February 1995.Vol. 34 No. 2313-320)。這些常規(guī)結(jié)構(gòu)的冷卻鏡由于面積/體積比有限，換熱效果很難進(jìn)一步提高。在采用這種結(jié)構(gòu)的時(shí)候，為了保證鏡面層的剛度，鏡面層的厚度根據(jù)不同材料一般不能小于2mm 3mm，否則由于鏡面剛度不夠，鏡面的光學(xué)加工性能會(huì)變差，因而加工后特別是拋光、鍍膜后由于應(yīng)力釋放，鏡面易產(chǎn)生不均勻附加變形，流槽越寬，這種附加變形越大。同時(shí)鏡面層的厚度直接與鏡面層和溝槽層之間的換熱效率相關(guān)，鏡面層越薄，換熱效率越高。此外，根據(jù)熱彈性方程，鏡面層越薄，溫升相同情況下，熱變形越小。從增加鏡面剛度和換熱面積著手，專利文獻(xiàn)CN101859976A公開了一種微孔冷卻鏡，其主要思想是由孔隙取代常規(guī)冷卻鏡的溝槽。由于具有高的表面積/體積比，鏡子具有較大的換熱系數(shù)，而且由于孔隙分布較均勻，使得鏡面剛度一致，所以在不影響光學(xué)加工性能的前提下，鏡面可以做得更薄同時(shí)保證很好的面型。但是此種微孔冷卻鏡存在一個(gè)致命缺點(diǎn)由于冷卻介質(zhì)會(huì)自動(dòng)選擇阻力系數(shù)最小的路線，因此使得該冷卻鏡中遠(yuǎn)離進(jìn)水口的地方由于缺少冷卻液而得不到有效的冷卻。上述提及的所有結(jié)構(gòu)的冷卻鏡的鏡面層都是采用的等厚度的結(jié)構(gòu)，而當(dāng)鏡面層的厚度一致時(shí)，由于高能激光束一般為高斯光束，輻照在鏡面上，鏡面中心部位通常受到的激光功率密度大，而邊沿小。如果鏡面厚度和冷卻流體特性都均勻的話，鏡面通常會(huì)發(fā)生中間變形大、邊沿變形小，類似于高斯?fàn)畹淖冃?。從熱彈性方程可知，在相同的熱輸入的情況下，鏡面厚度對(duì)熱變形有直接的影響?；诖?，采用非等厚度結(jié)構(gòu)的鏡面層來制作冷卻鏡可以控制鏡面不同部位的熱形變大小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，它可以減少熱形變。本發(fā)明提供的一種非等厚鏡面的冷卻鏡，它包括相互連接的鏡體和鏡架，其特征在于，所述鏡體由鏡面層和溝槽層連接組成，所述溝槽層填充有多孔材料，所述鏡面層的反射面為平面，背面為凹面。上述技術(shù)方案可以采用下述任一種或任幾種的改進(jìn)，所述鏡面層背面為球形凹面、環(huán)形凹面、錐形凹面和橢球形凹面；鏡面層的厚度為0. 5mm 3mm,其材料為銅、娃或碳化娃；溝槽層的厚度為0. 5mm 3mm,其材料為銅、娃或碳化娃。上述技術(shù)方案可以采用下述任一種或任幾種的進(jìn)一步改進(jìn)，溝槽層的形狀是直流道，波浪形流道，螺旋形流道或直角形狀的流道，且相鄰流道間的間距為0.1mm 2mm ;多孔材料是銅或碳化硅，且孔隙率為50% 90% ;鏡架的材料是銅、鋁合金或鋼。本發(fā)明提供了一種非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，它包括鏡面層、溝槽層(包含溝槽和多孔材料)、鏡架；鏡面層的背面加工為不同形狀的凹面，溝槽層的一面加工為凸面，并將鏡面層和溝槽層通過釬焊的方式連接。工作時(shí)，鏡面吸收激光輻射，溫度升高，流體通過鏡架上面的進(jìn)口進(jìn)入溝槽層中的多孔材料中，通過換熱帶走鏡體的熱量，使鏡體降溫，減小形變。 本發(fā)明的鏡面層的凹面形狀和尺寸是根據(jù)工況下激光束的形狀來設(shè)計(jì)的，保證熱輸入較大的地方較薄，熱輸入較小的地方較厚。溝槽層中槽道起到引流的作用，是為了保證鏡面輻照區(qū)域都可以得到流體的冷卻；而溝槽中的多孔材料是為了增加換熱能力和提供鏡面必要的剛度。該冷卻鏡的鏡面層的反射面仍然為平面，但是背面根據(jù)激光光斑形狀被加工為不同形狀的凹面，比如球形凹面、環(huán)形凹面以及錐形凹面等，使得鏡子中心部位激光輻照密度大的地方較薄，邊沿激光輻照密度小的地方較厚。該冷卻鏡的溝槽層不是單一的微通道結(jié)構(gòu)，也不是單一的微孔結(jié)構(gòu)，而是在微通道里面填充一定孔隙率的多孔材料。微通道在這里起引流作用，以保證冷卻液對(duì)鏡面各個(gè)部位都能有效冷卻，而微孔結(jié)構(gòu)不僅增加了換熱系數(shù)，而且為鏡面提供了可靠支撐，增加了鏡面剛度，可以在不減小鏡面光學(xué)加工性能的同時(shí)減小鏡面的厚度，同時(shí)也為非等厚結(jié)構(gòu)的鏡面層的提供了設(shè)計(jì)余地。鏡架保證溝槽層的密封，并為冷卻液提供進(jìn)口和出口。該冷卻鏡的鏡面層和溝槽層直接通過焊接或者直接燒結(jié)的方式連接，鏡架通過焊接或者機(jī)械裝夾的方式與溝槽層連接。


圖1是常規(guī)液體冷卻鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是非等厚鏡面微孔冷卻鏡的結(jié)構(gòu)示意圖3是非等厚鏡面微孔冷卻鏡的鏡面層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是非等厚鏡面微孔冷卻鏡的溝槽層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是非等厚鏡面微孔冷卻鏡的溝槽層的橫截面示意圖；圖6是非等厚鏡面微孔冷卻鏡的鏡架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是非等厚鏡面微孔冷卻鏡的制作流程圖示意圖。
具體實(shí)施例方式冷卻鏡在工作條件下，由于光斑強(qiáng)度的非均勻性導(dǎo)致鏡面各部分的熱輸入也不均勻，所以鏡面發(fā)生非均勻變形。本發(fā)明從兩個(gè)方面減小熱變形一是根據(jù)熱彈性方程中熱變形與鏡面厚度的關(guān)系設(shè)計(jì)非等厚度的鏡面層結(jié)構(gòu)，熱輸入大的地方鏡面厚度小，熱輸入小的地方鏡面厚度大；二是采用通 道中間填充多孔材料的方法，控制冷卻液體的流向分布和增大換熱能力以及給薄鏡面層提供支撐。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。如圖2所示，本發(fā)明提供的非等厚鏡面結(jié)構(gòu)的微孔冷卻鏡包括三部分非等厚鏡面層4、填充有多孔材料的溝槽層5和鏡架6。其中鏡面層4和溝槽層5通過釬焊的方式連接組成鏡體，鏡體與鏡架6之間通過機(jī)械的方法或者釬焊的方法連接。工作條件下，冷卻液體從鏡架6上的入口 7流入，經(jīng)過溝槽層5里面通道9中的微孔10后，經(jīng)鏡架上面的出口8流出。冷卻液在微孔中與鏡體發(fā)生換熱，降低鏡面溫度，減少鏡面的相對(duì)熱輸入。由于鏡面中心部位熱量較集中，所以鏡面中心部位溫升較鏡面邊緣部位大，但是鏡面中心部位厚度較小，因而熱變形大小不會(huì)比鏡面邊緣部位更大，合理的設(shè)計(jì)鏡面厚度的分布，可以保證鏡面變形量在許可范圍內(nèi)。圖3為非等厚鏡面結(jié)構(gòu)的微孔冷卻鏡的鏡面層結(jié)構(gòu)圖，其中12為鏡面層的橫截面面；13為鏡面,作為反射鏡的反射面；11為鏡面層背面加工的凹面。圖4為非等厚鏡面結(jié)構(gòu)的微孔冷卻鏡的溝槽層結(jié)構(gòu)圖，其中9和10為填充有多孔材料的溝槽層截面圖；9表示溝槽翅片的橫截面；10表示多孔材料的橫截面，圖5是截面9和10的放大圖。14為根據(jù)鏡面層凹面加工的凸面。圖6為非等厚鏡面結(jié)構(gòu)的微孔冷卻鏡的鏡架結(jié)構(gòu)圖，其中17為鏡架的橫截面，16為根據(jù)溝槽層的凹面加工成的凸面。15是為了起到緩沖和分流作用的緩沖槽。圖7為非等厚鏡面微孔冷卻鏡的制作流程圖，其具體制備過程如下(—)根據(jù)工況時(shí)的激光光斑形狀，將鏡面層背面加工為凹面，如激光為圓形光斑，則加工為球形凹面；( 二)在金屬板上加工溝槽；(三)按照上述溝槽結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，加工具有微孔結(jié)構(gòu)的多孔材料，使其正好可以填充到上一步的溝槽中間，保證每一條溝槽都填滿；(四)把上述加工好的多孔材料填充到(二)中的溝槽中，用夾具裝夾好，并將其中一面加工為與(一)中的凹面形狀相同的凸面；(五)將(一)中的鏡面層與(四)中的溝槽層以釬焊的方式連接構(gòu)成鏡體，卸掉夾具并將溝槽層的另一面加工為與(一)中一樣的凹面；(六)將鏡架的內(nèi)面加工為凸面，保證此凸面可以與(五)中鏡體的凹面匹配，然后將鏡架與鏡體以釬焊的方式或者機(jī)械裝夾的方式連接到一起，再裝上水嘴即可得到非等厚鏡面的微孔冷卻鏡。實(shí)例實(shí)例I硅作為鏡面層和溝槽層材料，以孔隙率為50%的碳化硅作為溝槽層的填充材料。鏡面層的背面為球形凹面，鏡面層厚度為0.5mm。溝槽層的溝槽為平行的直流道，溝槽壁厚(即相鄰流道間的間距)為1mm。實(shí)例2硅作為鏡面層材料，銅作為溝槽層材料，以孔隙率為90%的多孔泡沫銅作為溝槽層填充材料。鏡面層背面為環(huán)形凹面，其厚度為1_。溝槽層為網(wǎng)狀流道分布，溝槽壁厚為0. 1mm。實(shí)例3碳化硅作為鏡面層、溝槽層和溝槽填充材料。孔隙結(jié)構(gòu)的碳化硅的孔隙率為70%。鏡面層為橢球形凹面，其厚度為3mm。溝槽層為螺旋形的流道分布，溝槽壁厚為2mm o實(shí)例4銅作為鏡面層、溝槽層，以孔隙率為70%的多孔泡沫銅作為溝槽層填充材料。鏡面層為錐形凹面，其厚度為5mm。溝槽層為Z字形的流道分布.以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí) 施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種非等厚鏡面的冷卻鏡，它包括相互連接的鏡體和鏡架，其特征在于，所述鏡體由鏡面層和溝槽層連接組成，所述溝槽層填充有多孔材料，所述鏡面層的反射面為平面，背面為凹面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，其特征在于，所述鏡面層背面為球形凹面、環(huán)形凹面、錐形凹面和橢球形凹面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，其特征在于，鏡面層的厚度為O. 5mm 3mm,其材料為銅、娃或碳化娃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，其特征在于，溝槽層的厚度為O. 5mm 3mm,其材料為銅、娃或碳化娃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，其特征在于，溝槽層的形狀是直流道，波浪形流道，螺旋形流道或直角形狀的流道，且相鄰流道間的間距為O.1mm 2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，其特征在于，多孔材料是銅或碳化硅，且孔隙率為50% 90%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非等厚鏡面的微孔冷卻鏡，其特征在于，鏡架的材料是銅、鋁合金或鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非等厚鏡面結(jié)構(gòu)的微孔冷卻鏡，冷卻鏡包括鏡面層、溝槽層和鏡架，其中鏡面層是非等厚度的，溝槽層的通道內(nèi)填充了多孔材料，鏡架有冷卻液的進(jìn)/出口。通過釬焊方法將鏡面層與填充有多孔材料的溝槽層焊接到一起組成鏡體，鏡體與鏡架之間通過釬焊或者機(jī)械裝夾的方式連接到一起。冷卻液體由鏡架上的進(jìn)口進(jìn)入溝槽層，在通過多孔材料的時(shí)候與鏡體換熱，再由鏡架上的出口流出，帶走熱量。本發(fā)明提出的非等厚鏡面改善了鏡面受熱不均勻而產(chǎn)生的熱變形；充滿多孔材料的溝槽層設(shè)計(jì)克服了全微孔結(jié)構(gòu)冷卻鏡不能控制冷卻液流向的問題，同時(shí)為鏡面層提供了支撐使鏡面層可以制作的更薄而改善散熱。
文檔編號(hào)G02B5/08GK103050869SQ20121055201
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者胡攀攀, 朱海紅, 何崇文, 陳鴻 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)