专利名称：一种微孔液体冷却不变形镜及其制作方法
技术领域：
本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勻，导致镜面温度不均勻(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，减少镜面的不均勻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勻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勻变形。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，镜子的刚性不均勻，因而 加工后特别是镀膜后由于应力释放镜面产生不均勻变形。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一种微孔液体冷却不变形镜的制作方法，用于激光光学谐振腔及光学链中，通过 在镜面背面一体成型液体流动微孔层，使冷却液体能够在该液体流动微孔层的微孔中流 动，从而实现对镜面的冷却，降低镜面温升和变形，具体包括如下步骤(一 )以镜面的背面作为基底，在该基底上预镀覆一层金属基粉末混合物作为过 渡层；( 二)在上述过渡层上预置一层所述金属基粉末混合物，采用激光对上述金属基 粉末混合物进行扫描，使其中的低熔点粉末熔化粘结高熔点粉末，烧结成型一层微孔层；再 在上述成型的微孔层上多次重复上述预置和扫描过程，从而在过渡层上形成多层微孔层构 成的液体流动微孔层；(三)在上述液体流动微孔层上安装镜架，即可形成所述的微孔液体冷却不变形
^Mi ο作为本发明的进一步改进，上述的步骤(二)金属基粉末混合物由至少两种熔点 不同的粉末组成。作为本发明的进一步改进，上述步骤(一)中的镀覆方法可以是热喷度、电化学、 磁控溅射或真空镀膜。作为本发明的进一步改进，所述液体流动微孔层中的连通孔的孔隙率、孔径和形 状能够通过调节金属基粉末混合物的粉末形状、成分、粒度或配比来进行调节。利用上述的制作方法制作的微孔液体冷却不变形镜，包括镜面、过渡层、液体流动 微孔层和镜架，其中镜面、过渡层和液体流动微孔层固接为一体，工作时，镜面面向激光辐照区，吸收热量温度升高，冷却液体通过镜架上的进水孔流入液体流动微孔层，通过换热， 带走镜面吸收的热量，从而降低镜面温升，抑制变形。本发明提供的一种微孔液体冷却不变形镜制作方法，它包括镜面、连通微孔液体 冷却层和镜架；镜子的镜面面向激光辐照区，连通微孔液体冷却层在激光辐照区背面，镜架 上可安装水嘴，以便进水和出水。本发明的连通微孔液体冷却层是根据分层制造的快速成 型思想，根据所需的几何形状，在镜面的背面，通过激光扫描金属粉末，层层叠加，得到所需 的微孔液体冷却层。由于激光烧结金属粉末，存在孔隙，从而产生连通的微孔。当冷却液体 如水流过这些微孔时，由于表面积极大，因而换热面积极大；由于连通孔的尺寸极小，因而 一定流量下能够产生大的微尺度效应和紊流效果，使换热系数增大。带走更多的热量，降低 镜面热变形。相对于线切割等微沟槽加工工艺制作的微沟槽液体冷却不变形镜，本发明提供的 方法制作的微孔层由于微孔分布均勻，因而镜体刚性均勻，不会在抛光镀膜后产生不均勻 的变形；且本发明制作的微孔尺寸更小，换热效果更好，制作工艺更简单更方面。相对于泡沫铜制作的微孔液体冷却不变形镜，本发明由于将镜面和微孔层直接制 作成一体，省去了钎焊工艺，因而避免了熔化的钎料在毛细力的作用下进入微孔，堵塞微孔 的麻烦。
图1是由于镜面温度不均勻导致镜面畸变示意图；图2是常规液体冷却不变形镜结构；图3是一体化微孔液体冷却不变形镜的结构；图4是一体化微孔液体冷却不变形镜的制作方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施实例对本发明作进一步详细的说明。在激光辐照下，镜面由于吸收热，造成温升而膨胀，由于存在温度梯度，变形受阻， 从而产生镜面变形。如果在激光的非辐照区采用水冷导走热量，则可以降低、乃至消除整个 镜体温度梯度，从而抑制镜面面型畸变。流体换热效果与流量大小、沟槽结构、换热面积以 及流动状态有关，如果增加换热面积并改变流动状态，则可以大大提高换热效果，从而采用 小流量也能得到很好的换热。连通微孔比表面积大，存在微尺度效应，因而换热效果很好。 但是如何制作微孔液体冷却不变形镜还没有很好的方法。本发明采用先进的快速成型技术，在镜面基底上采用激光直接烧结金属基粉末， 由于存在微孔，且微孔相通，因而可以方便地制作一体化微孔液体冷却不变形镜。如图3所示，本发明提供的微孔液体冷却不变形镜包括镜面1、过渡层2、液体流动 微孔层3和镜架4四部分。其中镜面1、过渡层2和液体流动微孔层3是一整体。工作时， 镜面1面向激光辐照区，由于吸收热量温度升高。冷却液体如水通过镜架4上的进水孔流 入液体流动微孔层3，通过换热，带走镜面吸收的热量，从而降低镜面温升，抑制变形。如图3所示，本发明采用镜面1的背面为基底。首先在基底上预镀覆一层厚度约 0. Imm厚的金属基粉末混合物作为过渡层2。这种金属基粉末由至少两种熔点不同的粉末组成。通常高熔点粉末是金属等导热性好的粉末，如Cu、Fe、不锈钢、Al等；低熔点粉末通 常是树脂粉末、低熔点金属、低熔点金属化合物，如Cu合金、尼龙、SruPb等粉末。镀覆方法 可以是热喷度、电化学、磁控溅射、真空镀膜等方法。如图4所示，在过渡层2上预置0. 01-0. 5mm厚的金属基粉末混合物，然后采用功 率为10W-3000W，扫描速度为lOmm/s-lOOOmm/s的激光扫描金属基粉末混合物；由于吸收了 激光能量，激光辐照区混合粉末的温度升高，当激光功率密度足够大时，混合粉末中的低熔 点粉末熔化成液体；当激光移走后，这些液体凝固从而粘结高熔点粉末。
重复该过程，层层叠加，由于预置的混合粉末密度有限以及低熔点粉末的熔化或 者汽化，烧结成型的三维实体由连通孔5和实体6组成液体流动微孔层3。这些连通孔5可 以让冷却液体在其中流动。连通孔5的特性参数孔隙率、孔径和形状可以通过调节混合粉 末的形状、成分、粒度和配比来进行调节。由于混合粉末的粒度通常在数微米至数十微米量 级，因而形成的连通孔5的孔径也通常在数微米至数十微米量级，即所谓的微孔。这些连通 孔5由于存在微尺度效应，因而一定的液体流量下镜子具有更好的换热性能，能够带走更 多的热能。由于液体流动微孔层3是直接在镜面上烧结而成，因此液体流动微孔层3和镜 面1是一整体，无需钎焊等后续加工。形成上述金属连通微孔层3后，再安装镜架即可形成本发明所述的微孔液体冷却 不变形镜。
权利要求
一种微孔液体冷却不变形镜的制作方法，通过在镜面(1)背面一体成型液体流动微孔层(3)，使冷却液体能够在该液体流动微孔层(3)的微孔中流动，从而实现对镜面(1)的冷却，降低镜面(1)的温升和变形，具体包括如下步骤(一)以镜面(1)的背面作为基底，在该基底上预镀覆一层金属基粉末混合物作为过渡层(2)；(二)在上述过渡层(2)上预置一层所述金属基粉末混合物，采用激光对上述金属基粉末混合物进行扫描，使其中的低熔点粉末熔化粘结高熔点粉末，烧结成型一层微孔层；再在上述成型的微孔层上多次重复上述预置和扫描过程，从而在过渡层(2)上形成多层微孔层构成的液体流动微孔层(3)；(三)在上述液体流动微孔层(3)上安装镜架(4)，即可形成所述的微孔液体冷却不变形镜。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，上述的步骤(二)金属基粉末混合物 由至少两种熔点不同的粉末组成。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，上述步骤(一)中的镀覆方法可 以是热喷度、电化学、磁控溅射或真空镀膜。
4.根据权利要求1-3之一所述的制作方法，其特征在于，所述液体流动微孔层(3)中的 连通孔(5)的孔隙率、孔径和形状能够通过调节金属基粉末混合物的粉末形状、成分、粒度 或配比来进行调节。
5.利用权利要求1-4之一所述的制作方法制作的微孔液体冷却不变形镜，用于激光光 学谐振腔及光学链中，包括镜面(1)、过渡层(2)、液体流动微孔层(3)和镜架(4)，其中镜面 (1)、过渡层(2)和液体流动微孔层(3)固接为一体，工作时，镜面(1)面向激光辐照区，吸 收热量温度升高，冷却液体通过镜架(4)上的进水孔流入液体流动微孔层(3)，通过换热， 带走镜面(1)吸收的热量，从而降低镜面(1)温升，抑制变形。
全文摘要
本发明公开了一种微孔液体冷却不变形镜及其制作方法，通过在镜面背部采用激光直接烧结金属基混合粉末，一体成型液体流动微孔层，使冷却液体能够在该液体流动微孔层的微孔中流动，从而实现对镜面的冷却，降低镜面温升和变形。本发明克服了微孔液体镜无法焊接成一体的困难，同时解决了目前各种液体冷却不变形镜换热效果不足的问题。本发明采用快速成型方法在镜面直接制作微孔液体冷却不变形镜，无需后续焊接，方法简单、结构可控。
文档编号H01S3/08GK101859976SQ201010201350
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者何崇文, 左都罗, 朱海红, 程祖海, 胡攀攀, 谢明杰 申请人:华中科技大学