专利名称：激光反射扩束锥及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于强激光参数测量的反射扩束元件及其制造方法。
背景技术：
现有技术在对高功率和高能激光等强激光束的能量测量过程中，为避免强 激光束对能量计腔体的损伤，常在激光束直接入射的方向上放置一个反射扩束 元件，用以改变激光入射光束的方向，同时对激光入射光束进行扩束，以最终 降低能量计腔体内表面所接收的光能量密度，保护能量计腔体不被强激光直接 辐照破坏。
目前，常采用大口径抛物面反射镜、反射圆锥或反射半球等光学元件实现 对强激光束的反射扩束。大口径抛物面反射镜具有光束聚焦功能，因此光路短， 可以有效减小全吸收腔体开口尺寸，减少反射激光能量损失，但其加工困难， 同时在强激光入射过程中存在热变形的可能，影响对激光入射光束的全部收集。 圆锥形反射体结构相对简单，加工难度低，面型容易保证，在测量小尺寸光斑 时得到较多应用，但对于大尺寸光束测量，需要设计很长的反射锥，从而增加 了加工的难度，工程实现性较差。反射半球由于反射面扩展有限，难以耐受强 激光的辐照破坏。
发明内容
本发明目的是提出一种要可适应不同激光束强度和直径、结构加工方便的 激光反射扩束锥及其制造方法，其解决现有激光反射扩束加工困难、可靠性差、 可扩展性差的技术问题。
本发明的技术解决方案是
一种激光反射扩束锥，其特殊之处在于包括锥体l，所述锥体l包括至少 两个空心锥面反射段2以及用于连接两个相邻的锥面反射段2的至少一个空心
圆筒形锥面连接段3，所述锥面反射段2包括在激光入射光束5的入射方向依次 设置的一个圆锥型锥面反射段21和至少一个圆台型锥面反射段22，所述每个锥 面反射段2的锥面与激光入射光束5的入射方向的夹角均相等；所述锥面反射 段2的外表面镀有高反膜4。
上述锥面连接段3的外表面镀有高反膜4。
上述锥面反射段2与锥面连接段3的轴向长度比为1:1，所述锥面反射段2 的锥面与激光入射光束5的入射方向的夹角为45。。 上述锥体材料为无氧铜，所述高反膜4为镀金膜。 上述的激光反射扩束锥的制造方法，其特征在于
1]采用金刚石车床将无氧铜分别加工出每个锥面反射段2和锥面连接段 (3)，要求锥面反射段2的外表面粗糙度加工至Ra0.005um; 2]在锥面反射段2的外表面镀一层金膜； 3]抛光金膜，使锥面反射段2外表面的反射率》98%; 4]按照相邻两个锥面反射段2间设置一个锥面连接段3的阶梯状结构将各 个锥面反射段2和锥面连接段3进行连接。
上述锥面连接段3的外表面的加工方法如下
1]将锥面连接段3的外表面的粗糙度加工至RaO. 005 u m;
2]在锥面连接段3的外表面镀一层金膜；
3]抛光金膜，使锥面连接段3外表面的反射率>98%。
上述锥面反射段2和锥面连接段3是采用整体材料一次加工而成。
上述锥面反射段2和锥面连接段3是采用焊接方式连接。
本发明的优点是
1、 本发明提出的阶梯状激光反射扩束锥，可以解决强激光束方向控制和大 面积扩束的难题，保证了能量计腔体在对强激光束测量时不被辐照破坏；此锥 由多个锥面反射段和锥面连接段构成，通过纵向(轴向)和横向(径向)实现 入射强激光束的方向控制和扩束，同时降低激光能量在锥体反射面上的能量沉 积，提高了抗激光辐照损伤能力；
2、 本发明锥面反射段和锥面连接段数量及尺寸均可方便调整，易于满足不 同直径和不同强度激光入射光束应用要求；此种阶梯状激光反射扩束锥可实现 模块化设计，容易进行轴向和径向扩展，减小了对于机械加工能力的依赖程度， 可满足今后更高能量、更大直径的激光束应用；
3、 本发明提出的阶梯状激光反射扩束锥设计思想，从方案上解决了径向口 径大和轴向深度长的反射锥机械加工难题，对于今后更高功率和能量水平的激 光束，通过锥面反射段和锥面连接段的累加扩展，可以解决大口径和高强度激 光反射扩束锥的加工难题，可以应用于更强激光的测量场合，对于促进强激光
参数测量发展具有重要意义。
图1是阶梯状激光反射扩束锥结构示意图2是图1的B-B剖视图3是阶梯状激光反射扩束锥工作原理其中l-锥体，2-锥面反射段，21-圆锥型锥面反射段，22-圆台型锥面反 射段，3-锥面连接段，4-高反膜，5-激光入射光束，6-激光反射扩束光束，7-吸收圆筒。
具体实施例方式
阶梯状激光反射扩束锥的结构如图1和图2所示，本发明阶梯激光反射扩 束锥主体为一个底端外圈直径为R，内圈直径为R，高为L，锥角为e的空心 圆锥体结构。锥面由一段锥面反射段间隔一段锥面连接段的阶梯状结构组成， 图1和图2中共有4段锥面反射段和3端锥面连接段，其中4段锥面反射段包 括1段圆锥形锥面反射段和3端圆台型锥面反射段；通常锥角0取为45度， 锥体长度、锥角大小等可以根据实际需要灵活设计。锥面反射段进行激光入射 光束的方向控制和扩束，通过改变锥角可以控制激光反射扩束光束的方向，此 时轴向入射的激光入射光束可以实现径向反射扩束。根据入射激光强度大小， 在反射锥研制时可以根据实际测量应用设计锥面反射段与锥面连接段的长度比 例，达到控制能量沉积目的，进一步保护锥面反射段不被强激光辐照破坏，扩 展最大可测量激光能量密度范围。激光反射扩束锥的锥面反射段和锥面连接段 轴向长度可按1:1设计，其中锥面反射段为主要的高能激光入射段，需要承受 高能激光的辐照，为避免吸收太多激光能量而产生热变形或被辐照破坏，要求 锥面反射段表面具有高的反射率(》98%)。锥面连接段设计为不受激光辐照， 主要起到两段锥面反射段之间的联接作用，同时作为热沉体吸收锥面反射段上 沉积的激光能量，防止反射锥被强激光辐照损坏。同时，锥面连接段也会受到 一定程度的激光辐照，因此也要求锥面连接段具有较高的激光反射率，在本方 案中要求锥面反射段和锥面连接段镀一层高反膜，实现对入射激光的反射，同 时使其能够承受强激光的辐照而不被破坏。高反膜耐受激光的辐照破坏阈值不 低于8000W/cm2。按照相邻两个锥面反射段间设置一个锥面连接段的阶梯状结构 将各个锥面反射段和锥面连接段进行连接，对于长度短的锥，反射段和连接段 采用整体材料一次加工而成，对于无法一次加工完成的长锥，连接段釆用焊接
方式连接。
为了耐受强激光辐照，反射面必须精加工并镀膜。由于无氧铜材料导热性 能好，且价格比金、银等贵金属低，因此激光反射扩束锥的材料选为无氧铜， 采用金刚石车床对锥体进行精加工。采用金刚石车床精加工的方法可以满足对
面形和光洁度的要求。锥面反射段要求表面粗糙度达到Ra0.005的水平，这样 能保证高反膜紧密镀制在反射面上，同时导热良好。釆用先镀金膜，之后再抛 光的方式解决可耐受高能激光辐照破坏反射膜层的镀制难题。
图3为反射扩束原理图，结合原理图对激光反射扩束锥扩束衰减效率做进 一步说明，高能激光入射光束(直径为r，小于反射锥底面内圈直径Rl)直接 入射在阶梯状激光反射扩束锥体上，锥面反射段及锥面连接段表面都镀有反射 率高于98%的反射膜层，经锥面反射段反射后，光束方向由轴向入射变为径向出 射，同时光束被扩束。假设已扩束光束被直径为R2的圆筒内壁吸收。此时入射 光束面积从<formula>formula see original document page 6</formula>扩大至<formula>formula see original document page 6</formula>,面积扩大<formula>formula see original document page 6</formula>倍。相应的光强密度也下降 <formula>formula see original document page 6</formula>针对不同衰减倍数，通过改变吸收圆筒直径可以达到相应要求。
权利要求
1、一种激光反射扩束锥，其特征在于包括锥体(1)，所述锥体(1)包括至少两个空心锥面反射段(2)以及用于连接两个相邻的锥面反射段(2)的至少一个空心圆筒形锥面连接段(3)，所述锥面反射段(2)包括在激光入射光束(5)的入射方向依次设置的一个圆锥型锥面反射段(21)和至少一个圆台型锥面反射段(22)，所述每个锥面反射段(2)的锥面与激光入射光束(5)的入射方向的夹角均相等；所述锥面反射段(2)的外表面镀有高反膜(4)。
2、 根据权利要求1所述的激光反射扩束锥，其特征在于所述锥面连接段 (3)的外表面镀有高反膜(4)。
3、 根据权利要求1或2所述的激光反射扩束锥，其特征在于所述锥面反 射段(2)与锥面连接段(3)的轴向长度比为1:1，所述锥面反射段(2)的锥 面与激光入射光束(5)的入射方向的夹角为45。。
4、 根据权利要求3所述的激光反射扩束锥，其特征在于所述锥体材料为 无氧铜，所述高反膜(4)为镀金膜。
5、 一种权利要求1所述的激光反射扩束锥的制造方法，其特征在于1]釆用金刚石车床将无氧铜分别加工出每个锥面反射段(2)和锥面连接 段(3)，要求锥面反射段(2)的外表面粗糙度加工至RaO. 005 u m;2]在锥面反射段(2)的外表面镀一层金膜；3]抛光金膜，使锥面反射段(2)外表面的反射率》98%;4]按照相邻两个锥面反射段(2)间设置一个锥面连接段(3)的阶梯状结 构将各个锥面反射段(2)和锥面连接段(3)进行连接。
6、 根据权利要求5所述的激光反射扩束锥的制造方法，其特征在于所述 锥面连接段(3)的外表面的加工方法如下1]将锥面连接段(3)的外表面的粗糙度加工至Ra0.005um;2]在锥面连接段(3)的外表面镀一层金膜；3]抛光金膜，使锥面连接段(3)外表面的反射率》98%。
7、 根据权利要求5或6所述的激光反射扩束锥的制造方法，其特征在于 所述锥面反射段(2)和锥面连接段(3)是采用整体材料一次加工而成。
8、 根据权利要求5或6所述的激光反射扩束锥的制造方法，其特征在于 所述锥面反射段(2)和锥面连接段(3)是采用焊接方式连接。
全文摘要
本发明涉及一种应用于强激光参数测量的反射扩束元件及其制造方法，包括锥体1，所述锥体1包括至少两个空心锥面反射段2以及用于连接两个相邻的锥面反射段2的至少一个空心圆筒形锥面连接段3，所述锥面反射段2包括在激光入射光束5的入射方向依次设置的一个圆锥型锥面反射段21和至少一个圆台型锥面反射段22，所述每个锥面反射段2的锥面与激光入射光束5的入射方向的夹角均相等；所述锥面反射段2的外表面镀有高反膜4。解决了现有激光反射扩束加工困难、可靠性差、可扩展性差的技术问题，具有可适应不同激光束强度和直径以及结构加工方便等优点。
文档编号G01J1/06GK101382454SQ200810231820
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月21日 优先权日2008年10月21日
发明者洵 侯, 刘卫平, 刘晶儒, 谢永杰 申请人:西北核技术研究所