光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法与流程

1.本发明涉及高功率激光冷却技术领域，具体为光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法。


背景技术：

2.在高功率激光设备中集成了大量光学元件，光学元件多采用半导体材料制成。当高功率激光穿过这些光学元件时，光学元件将会吸收激光产生的废热，由于半导体材料本身热导率较低，导致这些废热难以及时散出，造成光学元件热变形，严重影响其光学性能并降低其使用寿命。同时随着激光设备的功率逐步提高，光学元件吸收的废热越来越多，已难以通过常规的风冷或水冷的方式达到有效散热的目的。
3.申请号为cn201811608418.5的中国发明专利公开了一种冷却装置以及投影仪，能够降低透过窗部的光从气泡受到的影响。该冷却装置用于冷却光学元件，具有供流体循环的循环流路，所述循环流路具有：窗部，设置于所述光学元件的入射侧或者出射侧，使光透射；蒸发部，与所述窗部连接，并具有多个通道部；以及散热部，使所述流体的热散热，所述窗部、所述蒸发部以及所述散热部沿所述流体的循环方向按所述窗部、所述蒸发部、所述散热部的顺序设置，所述流体在液体状态下使所述光透射，在所述窗部中，所述流体为液体，在多个所述通道部中，作为液体的所述流体蒸发而成为气体，在所述散热部中，作为气体的所述流体凝结而成为液体，所述通道部的截面积小于所述窗部与所述蒸发部的边界的截面积。
4.上述的冷却装置及其冷却方法通过流体循环回路进行光学元件冷却，未能针对高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，且流体回路未能深入光学元件内部，冷却效率偏低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法，用于解决现有的冷却装置和冷却方法未能针对高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，且流体回路未能深入光学元件内部，冷却效率偏低的问题。
6.本发明是这样实现的：一种冷却流道结构，用于光学元件，包括：环形流道，设置于光学元件的内部，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；直线流道，设置于光学元件的内部，所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接。
7.可选的，所述环形流道为圆环状流道或者为环形跑道式流道，所述环形流道和直线流道均为宽度小于1mm的微通道流道。
8.一种光学元件，包括元件基体和元件盖板，所述元件基体的背面设置有冷却流道结构，所述元件盖板设置于元件基体的背面，密封住冷却流道结构；所述冷却流道结构包括
环形流道和直线流道，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接。
9.可选的，所述环形流道为圆环状流道或者为环形跑道式流道，所述环形流道和直线流道均为宽度小于1mm的微通道流道，所述元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面。
10.一种光学元件的冷却装置，所述光学元件的内部设置有冷却流道结构，所述冷却流道结构包括环形流道和直线流道，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接；冷却装置包括驱动泵、换热器、冷水机、存放罐以及过滤器，所述存放罐中放置有冷却液，所述驱动泵的进液端与存放罐的冷却液出液口相连，所述驱动泵的出液端与光学元件的冷却流道结构的入口相连，所述光学元件的冷却流道结构的出口与存放罐的冷却液回液口相连，所述过滤器设置于驱动泵的出液端与光学元件冷却流道结构的入口之间；所述换热器用于冷却存放罐中的冷却液，所述换热器与冷水机相连，所述冷水机提供的冷水由换热器中通过。
11.可选的，所述换热器设置于存放罐中，所述换热器呈螺旋管状，所述换热器进水端和出水端分别连接有进水管和出水管，所述换热器的进水端靠近存放罐的出液口，所述进水管与冷水机的出水口相连，所述出水管与冷水机的进水口相连；所述存放罐的出液口处设置有温度传感器，所述温度传感器与冷水机的控制系统电性相连。
12.一种光学元件的冷却方法，包括以下步骤：s1、在光学元件的内部设置冷却流道结构，所述冷却流道结构包括环形流道和直线流道，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接；s2、使用驱动泵将折射率与光学元件折射率相同的冷却液输送至光学元件的冷却流道结构中，由光学元件冷却流道结构的出口排出的冷却液经换热器和冷水机降温后再通过驱动泵输送至光学元件的冷却流道结构中，如此循环。
13.可选的，所述冷却液选用折射率匹配液，所述折射率匹配液由基液和辅助剂按照一定比例混合而成，所述基液为丙三醇或聚乙二醇中的任意一种，所述辅助剂为稀释剂或乳化剂中的任意一种。
14.一种光学元件冷却结构的制造方法，所述光学元件包括元件基体和元件盖板，包括以下步骤：s1、在元件基体的背面激光刻蚀出冷却流道结构，进行冷却流道结构的激光刻蚀时，将刻蚀所需激光功率降低至1j/cm2以下，激光间距控制在10um以内，重复多次扫描，通过吸收层热量累计效应完成冷却流道结构的刻蚀；s2、将元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面，完成冷却流道结构的密封。
15.可选的，所述吸收层采用金属掩膜，所述金属掩膜的材质选用铜、银、铝中的任意一种，重复扫描次数在10次以上。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可针对光学元件高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，优先对光学元件位于高斯光束中心处的部位进行冷却，有效提高了光学元件的冷却效果。
17.2、本发明的冷却流体回路深入到光学元件的内部，对光学元件进行冷却时，冷却液由光学元件的内部对光学元件进行冷却，有效提高了光学元件的冷却效率。
18.3、光学元件的环形流道为宽度小于1mm的微通道流道，小尺度扩大了冷却液的表面积/体积比，增大了换热面积、壁面积以及边界层面积，加剧了层流效应。同时小尺度流道结构本身具有更大的毛细力，加剧了毛细效应和扩散效应，有助于进一步提高光学元件的冷却效果。
19.4、本发明光学元件的冷却流道结构的入口和出口均位于光学元件的边缘处，使得冷却流道结构的出入口结构以及冷却液管路的设置均不会干涉光路，均不会影响光学元件的正常使用。
20.5、本发明的冷却液使用折射率与光学元件的折射率相同的折射率匹配液，不会对光学元件造成腐蚀，也不会影响光学元件的使用性能。
21.6、本发明进行冷却流道结构的激光刻蚀时，将刻蚀所需激光功率降低至1j/cm2以下，激光间距控制在10um以内，重复多次扫描，通过吸收层热量累计效应完成冷却流道结构的刻蚀，有效提高了流道刻蚀的精度和刻蚀的成功率。
附图说明
22.图1是本发明实施例1的结构示意图；图2是本发明实施例2的结构示意图；图3是本发明实施例4的结构示意图。
23.附图标记：1、光学元件；2、环形流道；3、直线流道；4、驱动泵；5、换热器；6、冷水机；7、存放罐；8、过滤器；9、进水管；10、出水管；11、温度传感器。
具体实施方式
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.下面结合附图和具体实施例，做进一步的说明：实施例1本实施例公开一种光学元件，其包括元件基体和元件盖板两个部分，元件基体和元件盖板的材质相同。元件基体的背面设置有冷却流道结构，冷却流道结构的结构如图1所示，冷却流道结构包括环形流道2和直线流道3两个部分，环形流道2和直线流道3均为宽度小于1mm的微通道流道，其中环形流道2为圆环状流道，环形流道2是围绕着高斯光束的中心设计的，环形流道2的中心位置与高斯光束的中心位置相对应。环形流道2的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道2的入口位于环形流道2的中心处，出口位于光学元件1的边缘
处，光学元件1的边缘处即是元件基体和元件盖板的边缘处。直线流道3的入口位于光学元件1的边缘处，出口与环形流道2的入口相接。元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面，密封住元件基体上的冷却流道结构，可有效提高密封质量。
26.光学元件1的冷却方法和冷却原理：使用驱动泵4将冷却液输送至光学元件1的冷却流道结构中，为了防止冷却液对光学元件1的光学性能产生不利影响，冷却液选用折射率匹配液，且所选用的折射率匹配液的折射率与光学元件1的折射率相同。折射率匹配液不会对光学元件1造成腐蚀，折射率匹配液由基液和辅助剂按照一定比例混合而成，基液使用丙三醇或聚乙二醇中的任意一种，辅助剂使用稀释剂或乳化剂中的任意一种。冷却液由直线流道3的入口进入，由直线流道3的出口进入环形流道2的入口处，即进入到环形流道2的中心处，此处亦是高斯光束的中心处。由于直线流道3为直线结构，根据两点之间直线最短的原则，冷却液经过最小的路径以最快的速度进入到环形流道2的中心，有效减少了冷却液进入环形流道2中心前冷量的散失，使得冷却液优先进入到高斯光束的中心处，有利于加强高斯光束中心处的高热流密度散热，从而更适用于高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的散热特点。而且，环形流道2的宽度由中心向外部逐步变大，即环形流道2的宽度由环形流道2的入口向环形流道2的出口逐步变大，流道窄速度更大，如此使得光学元件1在高斯光束中心处的冷却液流动的速度快，进一步提高了高斯光束中心处的散热效率。高斯光束的功率密度分布极为不均匀，中心处功率密度能达到平均功率密度8倍以上，即中心处换热需求最为迫切，因此冷却液通过所设计的冷却流道首先进入高斯光束的中心处进行冷却，然后围绕中心沿环形流道2逐步往外冷却。同时环形流道2采用变径设计，中心处流道最窄，越往外流道越宽，则中心处冷却介质流速最大，换热能力最强，外围处功率密度低换热需求相对偏低，采用较宽的流道仍能满足换热需求同时可降低流阻。冷却液进入到环形流道2的中心处后沿着环形流道2的流通方向流动，直至由环形流道2的出口流出。由环形流道2的出口排出的冷却液经换热器5和冷水机6降温后再通过驱动泵4输送至光学元件1的冷却流道结构中，如此循环。由于光学元件1的冷却流道结构的入口和出口均位于光学元件1的边缘处，使得冷却流道结构的出入口结构以及冷却液管路的设置均不会干涉光路，均不会影响光学元件1的正常使用。
27.所以，本发明可针对光学元件1高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，优先对光学元件1位于高斯光束中心处的部位进行冷却，有效提高了光学元件1的冷却效果。冷却流体回路深入到光学元件1的内部，对光学元件1进行冷却时，冷却液由光学元件1的内部对光学元件1进行冷却，有效提高了光学元件1的冷却效率。而且环形流道2具有流阻小的优势，有利于降低驱动泵4的功率。
28.此外，光学元件1的环形流道2和直线流道3均为宽度小于1mm的微通道流道，小尺度扩大了冷却液的表面积/体积比，与常规尺度流道相比，微通道流道在冷却液同流量条件下，具有更大的表面积，也就是说具有更大的换热面积和壁面积，将扩大边界层面积，从而可加剧层流效应。同时小尺度流道结构本身具有更大的毛细力，即毛细效应加剧，毛细力将促使流体自发流动，因此加剧了扩散效应。所以，将光学元件1的环形流道2设置为宽度小于1mm的微通道流道，有助于进一步提高光学元件1的冷却效果。
29.实施例2本实施例公开一种光学元件，其包括元件基体和元件盖板两个部分，元件基体和
元件盖板的材质相同。元件基体的背面设置有冷却流道结构，冷却流道结构的结构如图2所示，冷却流道结构包括环形流道2和直线流道3两个部分，环形流道2和直线流道3均为宽度小于1mm的微通道流道，其中环形流道2为环形跑道式流道，环形流道2是围绕着多个高斯光束的中心设计的，环形流道2的中心位置与多个高斯光束的中心位置相对应。环形流道2的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道2的入口位于环形流道2的中心处，出口位于光学元件1的边缘处，光学元件1的边缘处即是元件基体和元件盖板的边缘处。直线流道3的入口位于光学元件1的边缘处，出口与环形流道2的入口相接。元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面，密封住元件基体上的冷却流道结构，可有效提高密封质量。
30.本实施例与实施例1相比，实施例1更适用于单高斯光束的光学元件，本实施例更适用于多高斯光束的光学元件。
31.实施例3本实施例公开一种光学元件冷却结构的制造方法，光学元件1包括元件基体和元件盖板两个部分，首先，在元件基体的背面激光刻蚀出所设计的冷却流道结构，所设计的冷却流道结构如图1或图2所示，包括环形流道2和直线流道3两个部分，环形流道2的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道2的入口位于环形流道2的中心处，出口位于光学元件1的边缘处，直线流道3的入口位于光学元件1的边缘处，出口与环形流道2的入口相接。进行冷却流道结构的激光刻蚀时，将刻蚀所需激光功率降低至1j/cm2以下，激光间距控制在10um以内，重复扫描10次以上，通过吸收层热量累计效应完成冷却流道结构的刻蚀，如此可有效保护元件基体，可有效提高流道刻蚀的精度和刻蚀的成功率。吸收层采用金属掩膜，金属掩膜的材质选用铜、银、铝中的任意一种。在元件基体背面的流道刻蚀完成后，将元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面，完成冷却流道结构的密封。
32.实施例4本实施例公开一种光学元件的冷却装置，如图3所示，包括驱动泵4、换热器5、冷水机6、存放罐7以及过滤器8，存放罐7中放置有冷却液，驱动泵4的进液端与存放罐7的冷却液出液口相连，驱动泵4的出液端与光学元件1的冷却流道结构的入口相连，光学元件1的冷却流道结构的出口与存放罐7的冷却液回液口相连，过滤器8设置于驱动泵4的出液端与光学元件冷却流道结构的入口之间，如此形成一个冷却回路。存放罐7沿着竖向方向一分为二，分成两个半罐，两个半罐通过螺栓和螺母可连接成一个完整的存放罐7。为了防止漏液，两个半罐的结合面上要设置密封圈、密封垫等密封结构。换热器5设置于存放罐7中，换热器5呈螺旋管状，增大了与存放罐7中冷却液的接触面积，能够更有效的对存放罐7中的冷却液进行降温。换热器5进水端和出水端分别连接有进水管9和出水管10，进水管9和出水管10分别由存放罐7中的两端穿过，为了防止漏液，进水管9和出水管10与存放罐7之间设置有密封圈、密封胶等密封结构。进水管9与冷水机6的出水口相连，出水管10与冷水机6的进水口相连。
33.使用时，驱动泵4吸入存放罐7中的冷却液，所吸入的冷却液经过过滤器8过滤后输送至光学元件1的冷却流道结构中，对光学元件1进行冷却降温，同时被光学元件1加热，由光学元件1的冷却流道结构排出的冷却液，其温度变高，并流回存放罐7。冷水机6向换热器5中输送冷水，对存放罐7中的冷却液进行降温。将换热器5的进水端靠近存放罐7的出液口设置，如此可有效降低由存放罐7的出液口排出的冷却液的温度。存放罐7的出液口处设置有
温度传感器11，温度传感器11与冷水机6的控制系统电性相连，如此可对驱动泵4吸入的冷却液的温度进行监测，并能根据设置自动进行冷水机6工作功率的调节，使得驱动泵4吸入的冷却液的温度满足光学元件1的降温需求，可实现光学元件1降温的自动化控制。
34.以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。