專利名稱：一種微孔液體冷卻不變形鏡及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光光學(xué)諧振腔領(lǐng)域，具體涉及一種液體冷卻不變形鏡及其制作方 法，主要用于高功率密度和面型要求高的高能激光器光學(xué)諧振腔和光學(xué)鏈。
背景技術(shù)：
激光光學(xué)諧振腔由于吸收激光能量不均勻，導(dǎo)致鏡面溫度不均勻(如圖1所示)， 造成鏡面面型變形，引起激光波陣面畸變，造成輸出光束質(zhì)量和穩(wěn)定性下降。隨著激光功率 越來越高，這個問題越來越突出。因此，減少鏡面的不均勻熱變形是高功率激光技術(shù)中的關(guān) 鍵技術(shù)。目前主要從三個方面來降低鏡面的不均勻熱畸變選擇合適的基底材料，使得鏡面 在吸收同樣的能量下，熱變形最?。诲冎聘叻茨?，降低鏡面對激光的吸收；采用主動冷卻技 術(shù)，降低鏡面的溫升。鏡體材料的選擇受限于材料的物理性能、光學(xué)加工性能和機械性能， 僅僅采用優(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；提高鏡 面的反射率是非常有效的一種手段，目前反射率已經(jīng)達到99. 99%的工藝極限，但仍不能解 決日益增長的高能激光器存在鏡面畸變的難題；所以，采用主動冷卻的第三種方法已成為 解決高能激光鏡面變形的希望。采用液體冷卻(通常采用水)一直是高功率激光器常用的主動冷卻方案，液體冷卻不變形鏡已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的液體冷卻不變形鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示，由鏡面、液體 流動層和鏡架組成。鏡面與液體流動層通過釬焊或者其他連接方法連接成一體。鏡面在激 光輻射下，吸收熱量，通過熱傳導(dǎo)造成整個鏡體溫升；液體流動層內(nèi)的液體流動時通過熱傳 導(dǎo)和熱對流帶走鏡面吸收的熱量，從而抑制鏡子溫升，降低熱變形。鏡架為整個鏡子提供支 撐和進出液體通道。液體冷卻不變形鏡的換熱效果與液體種類、液體流量和液體流動層的 結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)。液體種類通常受液體的物理性能和價格限制，能采用的種類有限，常用的液 體有水、導(dǎo)熱防凍防銹液，其中水以價廉、熱容大得到了廣泛的應(yīng)用。液體流量大，可以得到 大的雷諾數(shù)，得到有益于換熱的流動方式和大的換熱系數(shù)。但是大的液體流量會對鏡面帶 來沖擊，從而帶來附加變形。所以液體流量在實際使用中有一定限制。因此在實際液體冷 卻不變形鏡的研制中，合適的流道結(jié)構(gòu)和形狀一直是提高液體冷卻不變形鏡換熱效果的主 要方法。合適的流動層結(jié)構(gòu)和形狀，在液體種類和流量一定時，不僅可以得到大的換熱系數(shù) 而且可以提高換熱面積，從而增大換熱效果，帶走更多的熱量，降低鏡面的熱變形。通常受 制于加工條件，液體流動層內(nèi)的液體流動通道通常是溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽的形狀為矩形、圓柱型 以及半圓形(如圖2所示)，溝槽越窄，換熱效果越好。目前，液體冷卻不變形鏡的液體流 動通道大都是采用機械加工的方法來制作。由于機加工水平的限制，其通道的寬度通常在 mm量級，這種寬度的液體冷卻不變形鏡由于溝道寬，對于高功率激光，為增大換熱系數(shù)，需 要的液體流量大，大流量液體對鏡面造成沖擊從而使得鏡面發(fā)生沖擊變形；此外該種液體 冷卻不變形鏡由于換熱面積有限，換熱效果較差，因而有時會達不到使用要求，特別是對于 越來越大功率的激光。采用流體帶走鏡面所吸收的熱量，從而抑制溫升，可以有效降低鏡子溫度梯度從而降低鏡面不均勻變形?，F(xiàn)在所用的液體冷卻不變形鏡均基于這個原理。液體冷卻不變形鏡的換熱效果與溫度差、鏡子材料、結(jié)構(gòu)以及流體的特性、流量等都有密切聯(lián)系。有三種方 法可以增加換熱效果增加流量、增大換熱面積、使流體工作在紊流狀態(tài)。增加流量由于存 在流體對鏡面沖擊大而作用有限。所以人們一直在尋找增加換熱面積和改變流體流動狀態(tài) 的方法。微溝槽和微孔液體冷卻不變形鏡由于存在微尺度效應(yīng)、極大的表面積/體積比以 及微擾動引起的附加換熱作用，可以大大增強換熱效果，從而降低鏡面的變形，因此其效率 高，性能優(yōu)于常規(guī)液體冷卻不變形鏡。因此在激光功率越來越來高的今天得到了廣泛的關(guān) 注。但是微溝槽液體冷卻不變形鏡由于存在溝道和實體區(qū)，鏡子的剛性不均勻，因而 加工后特別是鍍膜后由于應(yīng)力釋放鏡面產(chǎn)生不均勻變形。采用連通微孔技術(shù)則能避免這種 缺陷，實現(xiàn)良好的光學(xué)加工性能。采用泡沫銅可以制作這種微孔層。但是泡沫銅與鏡面的焊接則是難以解決的難 題。釬焊時，熔化的釬料在毛細力的作用下進入泡沫銅的微孔內(nèi)，堵塞泡沫銅的微孔，從而 使液體無法暢通。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微孔液體冷卻不變形鏡及其制作方法，采用該方法， 可以很方便地制作不變形的微孔液體冷卻不變形鏡，該方法制作出來的鏡子能夠在冷卻液 體流量較小時，依靠大的換熱面積和微尺度效應(yīng)，增大換熱效果，降低鏡面溫升和變形。采用的具體技術(shù)方案如下一種微孔液體冷卻不變形鏡的制作方法，用于激光光學(xué)諧振腔及光學(xué)鏈中，通過 在鏡面背面一體成型液體流動微孔層，使冷卻液體能夠在該液體流動微孔層的微孔中流 動，從而實現(xiàn)對鏡面的冷卻，降低鏡面溫升和變形，具體包括如下步驟(一 )以鏡面的背面作為基底，在該基底上預(yù)鍍覆一層金屬基粉末混合物作為過 渡層；( 二)在上述過渡層上預(yù)置一層所述金屬基粉末混合物，采用激光對上述金屬基 粉末混合物進行掃描，使其中的低熔點粉末熔化粘結(jié)高熔點粉末，燒結(jié)成型一層微孔層；再 在上述成型的微孔層上多次重復(fù)上述預(yù)置和掃描過程，從而在過渡層上形成多層微孔層構(gòu) 成的液體流動微孔層；(三)在上述液體流動微孔層上安裝鏡架，即可形成所述的微孔液體冷卻不變形
^Mi ο作為本發(fā)明的進一步改進，上述的步驟(二)金屬基粉末混合物由至少兩種熔點 不同的粉末組成。作為本發(fā)明的進一步改進，上述步驟(一)中的鍍覆方法可以是熱噴度、電化學(xué)、 磁控濺射或真空鍍膜。作為本發(fā)明的進一步改進，所述液體流動微孔層中的連通孔的孔隙率、孔徑和形 狀能夠通過調(diào)節(jié)金屬基粉末混合物的粉末形狀、成分、粒度或配比來進行調(diào)節(jié)。利用上述的制作方法制作的微孔液體冷卻不變形鏡，包括鏡面、過渡層、液體流動 微孔層和鏡架，其中鏡面、過渡層和液體流動微孔層固接為一體，工作時，鏡面面向激光輻照區(qū)，吸收熱量溫度升高，冷卻液體通過鏡架上的進水孔流入液體流動微孔層，通過換熱， 帶走鏡面吸收的熱量，從而降低鏡面溫升，抑制變形。本發(fā)明提供的一種微孔液體冷卻不變形鏡制作方法，它包括鏡面、連通微孔液體 冷卻層和鏡架；鏡子的鏡面面向激光輻照區(qū)，連通微孔液體冷卻層在激光輻照區(qū)背面，鏡架 上可安裝水嘴，以便進水和出水。本發(fā)明的連通微孔液體冷卻層是根據(jù)分層制造的快速成 型思想，根據(jù)所需的幾何形狀，在鏡面的背面，通過激光掃描金屬粉末，層層疊加，得到所需 的微孔液體冷卻層。由于激光燒結(jié)金屬粉末，存在孔隙，從而產(chǎn)生連通的微孔。當冷卻液體 如水流過這些微孔時，由于表面積極大，因而換熱面積極大；由于連通孔的尺寸極小，因而 一定流量下能夠產(chǎn)生大的微尺度效應(yīng)和紊流效果，使換熱系數(shù)增大。帶走更多的熱量，降低 鏡面熱變形。相對于線切割等微溝槽加工工藝制作的微溝槽液體冷卻不變形鏡，本發(fā)明提供的 方法制作的微孔層由于微孔分布均勻，因而鏡體剛性均勻，不會在拋光鍍膜后產(chǎn)生不均勻 的變形；且本發(fā)明制作的微孔尺寸更小，換熱效果更好，制作工藝更簡單更方面。相對于泡沫銅制作的微孔液體冷卻不變形鏡，本發(fā)明由于將鏡面和微孔層直接制 作成一體，省去了釬焊工藝，因而避免了熔化的釬料在毛細力的作用下進入微孔，堵塞微孔 的麻煩。


圖1是由于鏡面溫度不均勻?qū)е络R面畸變示意圖；圖2是常規(guī)液體冷卻不變形鏡結(jié)構(gòu)；圖3是一體化微孔液體冷卻不變形鏡的結(jié)構(gòu)；圖4是一體化微孔液體冷卻不變形鏡的制作方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。在激光輻照下，鏡面由于吸收熱，造成溫升而膨脹，由于存在溫度梯度，變形受阻， 從而產(chǎn)生鏡面變形。如果在激光的非輻照區(qū)采用水冷導(dǎo)走熱量，則可以降低、乃至消除整個 鏡體溫度梯度，從而抑制鏡面面型畸變。流體換熱效果與流量大小、溝槽結(jié)構(gòu)、換熱面積以 及流動狀態(tài)有關(guān)，如果增加換熱面積并改變流動狀態(tài)，則可以大大提高換熱效果，從而采用 小流量也能得到很好的換熱。連通微孔比表面積大，存在微尺度效應(yīng)，因而換熱效果很好。 但是如何制作微孔液體冷卻不變形鏡還沒有很好的方法。本發(fā)明采用先進的快速成型技術(shù)，在鏡面基底上采用激光直接燒結(jié)金屬基粉末， 由于存在微孔，且微孔相通，因而可以方便地制作一體化微孔液體冷卻不變形鏡。如圖3所示，本發(fā)明提供的微孔液體冷卻不變形鏡包括鏡面1、過渡層2、液體流動 微孔層3和鏡架4四部分。其中鏡面1、過渡層2和液體流動微孔層3是一整體。工作時， 鏡面1面向激光輻照區(qū)，由于吸收熱量溫度升高。冷卻液體如水通過鏡架4上的進水孔流 入液體流動微孔層3，通過換熱，帶走鏡面吸收的熱量，從而降低鏡面溫升，抑制變形。如圖3所示，本發(fā)明采用鏡面1的背面為基底。首先在基底上預(yù)鍍覆一層厚度約 0. Imm厚的金屬基粉末混合物作為過渡層2。這種金屬基粉末由至少兩種熔點不同的粉末組成。通常高熔點粉末是金屬等導(dǎo)熱性好的粉末，如Cu、Fe、不銹鋼、Al等；低熔點粉末通 常是樹脂粉末、低熔點金屬、低熔點金屬化合物，如Cu合金、尼龍、SruPb等粉末。鍍覆方法 可以是熱噴度、電化學(xué)、磁控濺射、真空鍍膜等方法。如圖4所示，在過渡層2上預(yù)置0. 01-0. 5mm厚的金屬基粉末混合物，然后采用功 率為10W-3000W，掃描速度為lOmm/s-lOOOmm/s的激光掃描金屬基粉末混合物；由于吸收了 激光能量，激光輻照區(qū)混合粉末的溫度升高，當激光功率密度足夠大時，混合粉末中的低熔 點粉末熔化成液體；當激光移走后，這些液體凝固從而粘結(jié)高熔點粉末。
重復(fù)該過程，層層疊加，由于預(yù)置的混合粉末密度有限以及低熔點粉末的熔化或 者汽化，燒結(jié)成型的三維實體由連通孔5和實體6組成液體流動微孔層3。這些連通孔5可 以讓冷卻液體在其中流動。連通孔5的特性參數(shù)孔隙率、孔徑和形狀可以通過調(diào)節(jié)混合粉 末的形狀、成分、粒度和配比來進行調(diào)節(jié)。由于混合粉末的粒度通常在數(shù)微米至數(shù)十微米量 級，因而形成的連通孔5的孔徑也通常在數(shù)微米至數(shù)十微米量級，即所謂的微孔。這些連通 孔5由于存在微尺度效應(yīng)，因而一定的液體流量下鏡子具有更好的換熱性能，能夠帶走更 多的熱能。由于液體流動微孔層3是直接在鏡面上燒結(jié)而成，因此液體流動微孔層3和鏡 面1是一整體，無需釬焊等后續(xù)加工。形成上述金屬連通微孔層3后，再安裝鏡架即可形成本發(fā)明所述的微孔液體冷卻 不變形鏡。
權(quán)利要求
一種微孔液體冷卻不變形鏡的制作方法，通過在鏡面(1)背面一體成型液體流動微孔層(3)，使冷卻液體能夠在該液體流動微孔層(3)的微孔中流動，從而實現(xiàn)對鏡面(1)的冷卻，降低鏡面(1)的溫升和變形，具體包括如下步驟(一)以鏡面(1)的背面作為基底，在該基底上預(yù)鍍覆一層金屬基粉末混合物作為過渡層(2)；(二)在上述過渡層(2)上預(yù)置一層所述金屬基粉末混合物，采用激光對上述金屬基粉末混合物進行掃描，使其中的低熔點粉末熔化粘結(jié)高熔點粉末，燒結(jié)成型一層微孔層；再在上述成型的微孔層上多次重復(fù)上述預(yù)置和掃描過程，從而在過渡層(2)上形成多層微孔層構(gòu)成的液體流動微孔層(3)；(三)在上述液體流動微孔層(3)上安裝鏡架(4)，即可形成所述的微孔液體冷卻不變形鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，上述的步驟(二)金屬基粉末混合物 由至少兩種熔點不同的粉末組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，上述步驟(一)中的鍍覆方法可 以是熱噴度、電化學(xué)、磁控濺射或真空鍍膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的制作方法，其特征在于，所述液體流動微孔層(3)中的 連通孔(5)的孔隙率、孔徑和形狀能夠通過調(diào)節(jié)金屬基粉末混合物的粉末形狀、成分、粒度 或配比來進行調(diào)節(jié)。
5.利用權(quán)利要求1-4之一所述的制作方法制作的微孔液體冷卻不變形鏡，用于激光光 學(xué)諧振腔及光學(xué)鏈中，包括鏡面(1)、過渡層(2)、液體流動微孔層(3)和鏡架(4)，其中鏡面 (1)、過渡層(2)和液體流動微孔層(3)固接為一體，工作時，鏡面(1)面向激光輻照區(qū)，吸 收熱量溫度升高，冷卻液體通過鏡架(4)上的進水孔流入液體流動微孔層(3)，通過換熱， 帶走鏡面(1)吸收的熱量，從而降低鏡面(1)溫升，抑制變形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微孔液體冷卻不變形鏡及其制作方法，通過在鏡面背部采用激光直接燒結(jié)金屬基混合粉末，一體成型液體流動微孔層，使冷卻液體能夠在該液體流動微孔層的微孔中流動，從而實現(xiàn)對鏡面的冷卻，降低鏡面溫升和變形。本發(fā)明克服了微孔液體鏡無法焊接成一體的困難，同時解決了目前各種液體冷卻不變形鏡換熱效果不足的問題。本發(fā)明采用快速成型方法在鏡面直接制作微孔液體冷卻不變形鏡，無需后續(xù)焊接，方法簡單、結(jié)構(gòu)可控。
文檔編號H01S3/08GK101859976SQ201010201350
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者何崇文, 左都羅, 朱海紅, 程祖海, 胡攀攀, 謝明杰 申請人:華中科技大學(xué)