一種微孔金屬冷卻鏡及其制作方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種微孔金屬冷卻鏡及其制作方法，冷卻鏡包括鏡體和鏡架，鏡體包括通過釬焊連接成一體的鏡面和泡沫金屬微孔層，鏡架有至少二個進(jìn)出液體通道，鏡架位于泡沫金屬微孔層的后面，并與鏡體緊密連接。通過釬焊技術(shù)直接將鏡面與泡沫金屬材料進(jìn)行釬焊連接，使冷卻液體能夠在泡沫金屬材料中循環(huán)流動，從而實(shí)現(xiàn)對鏡面的冷卻，降低鏡面溫升和變形。本發(fā)明專利技術(shù)成功的在鏡面上得到了均勻和可控的微孔冷卻層，從而抑制了鏡面面型的畸變過大，同時克服了在釬焊時泡沫金屬與鏡面材料難以焊接的問題，使熔化的釬料在毛細(xì)力的作用下適當(dāng)?shù)倪M(jìn)入泡沫金屬材料的底層，減少了與鏡面基底之間的接觸熱阻。釬焊技術(shù)直接制作微孔金屬冷卻鏡方法簡單，易于操作。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于激光光學(xué)諧振腔領(lǐng)域，具體涉及ー種微孔金屬冷卻鏡及其制作方法，主要用于高功率密度和面型要求較高的高能激光器光學(xué)諧振腔和光學(xué)鏈。
技術(shù)介紹
激光光學(xué)諧振腔腔鏡和 光學(xué)鏈中的反射鏡由于吸收激光能量，導(dǎo)致鏡面溫升，造成鏡面面型改變，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，減少鏡面的熱變形是高功率激光技術(shù)中的關(guān)鍵技木。目前主要從三個方面來降低鏡面的熱畸變選擇合適的基底材料和裝夾方式，使得鏡面在吸收同樣的能量下，熱變形最??；鍍制高反膜，降低鏡面對激光的吸收；采用主動冷卻技木，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(jī)械性能，僅僅采用優(yōu)化基體材料的単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ー種手段，但反射率的提高受限于鍍膜材料和鍍膜エ藝，無法短期內(nèi)大幅度提高。目前激光反射鏡的反射率已經(jīng)相當(dāng)高，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，也是最常用的方法。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，液體冷卻鏡已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的液體冷卻鏡結(jié)構(gòu)如圖I所示，由鏡面I、流槽層5和鏡架4組成。鏡面I與流槽層5通過釬焊或者其他連接方法連接成一體。鏡面I包含ニ個面激光福照面6和背面7。在激光輻射下，激光福照面6吸收熱量，通過熱傳導(dǎo)造成整個鏡體溫升；流槽層5的流槽是液體流動通道，冷卻液體通過流槽時通過熱傳導(dǎo)和熱對流帶走鏡面I吸收的熱量，從而抑制鏡子溫升，降低熱變形。鏡架4通常包含至少ニ個液體通道ロ 8，鏡架4為整個鏡子提供支撐以及為流槽層5提供進(jìn)出液體通道ロ。液體冷卻鏡的換熱效果與液體種類、液體流量和流槽的結(jié)構(gòu)形狀有夫。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(shí)際使用中有一定限制。因此在實(shí)際液體冷卻不變形鏡的研制中，合適的流槽結(jié)構(gòu)形狀一直是提高液冷鏡換熱效果的主要方法。合適的流槽形狀，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，此外還有可能改變流體的流動狀態(tài)，從而增大換熱效果，帶走更多的熱量，降低鏡面的熱變形。受制于加工條件，流槽的形狀通常為矩形、圓柱型以及半圓形。過去的研究表明流槽越窄，換熱效果越好。常規(guī)液體冷卻鏡液體流槽現(xiàn)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，其流槽的寬度通常在mm量級，這種寬度的水冷鏡由于流槽寬，對于高功率激光，為增大換熱系數(shù)，需要的水流量大，大流量水對鏡面造成沖擊從而使得鏡面發(fā)生沖擊變形；此外該種水冷鏡由于換熱面積有限，換熱效果較差，因而有時會達(dá)不到使用要求，特別是對于越來越大功率的激光。微流槽和微孔水冷鏡具有高傳熱系數(shù)、高表面積/體積比、低傳熱溫差、低流動阻カ等特點(diǎn)，此外微孔微流槽由于存在微尺度效應(yīng)以及微擾動引起的附加換熱作用，可以大大增強(qiáng)換熱效果，因此其效率高，性能優(yōu)于常規(guī)水冷鏡，在激光功率越來越來高的今天得到了廣泛的關(guān)注。雖然現(xiàn)在采用線切割等エ藝能使水道寬度達(dá)到O. Imm的水平，大大提高了換熱效果，但是這種寬度的流槽還是太寬，而且加工速度慢，エ藝復(fù)雜，能加工流槽形狀有限。此外，這種亞_級的微流槽鏡由于存在流槽和實(shí)體區(qū)，因而加工后特別是拋光、鍍膜后由于應(yīng)カ釋放，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。采用微孔技術(shù)則能避免這種缺陷。采用激光燒結(jié)技術(shù)可以制作微孔冷卻鏡(ZL201010201350. 6)，但是采用該方法制作的微孔分布和尺寸都難以控制，使得鏡子的散熱能力和面型難以保證。泡沫金屬在基體中均勻分布有大量連通或不連通孔洞，其孔隙分布和尺寸都是固定的，因而采用泡沫金屬來作為微通道鏡的微孔層，可以使冷卻鏡的散熱能力和面型得到 保證。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種微孔金屬冷卻鏡，這種冷卻鏡能夠在小流量冷卻液時依靠自身較大的換熱面積和微尺度效應(yīng)，増大換熱效果，減少鏡面溫升和畸變；本專利技術(shù)還提供了該冷卻鏡的制作方法，采用該方法，可以制作分布和尺寸穩(wěn)定的多孔冷卻鏡。本專利技術(shù)提供的一種微孔金屬冷卻鏡，它包括鏡體和鏡架ニ個部分，鏡體包括通過釬焊連接成一體的鏡面和泡沫金屬微孔層，鏡架有至少ニ個進(jìn)出液體通道，冷卻液通過鏡架上的其中一個進(jìn)出液體通道進(jìn)入泡沫金屬微孔層，冷卻液在泡沫金屬微孔層內(nèi)部流動，然后再通過另ー個進(jìn)出液體通道流出，鏡架位于泡沫金屬微孔層的后面，并與鏡體水密連接。本專利技術(shù)提供的上述微孔金屬冷卻鏡的制備方法，將潔凈的鏡面與潔凈的泡沫金屬材料置入釬焊爐中釬焊從而得到鏡體，釬焊溫度范圍在500°C到2000°C之間；再將鏡架與鏡體固定連接。本專利技術(shù)通過釬焊技術(shù)直接將鏡面與泡沫金屬進(jìn)行釬焊連接，使冷卻液體能夠在泡沫金屬層中循環(huán)流動，從而實(shí)現(xiàn)對鏡面的冷卻，降低鏡面溫升和變形。本專利技術(shù)提供的制作方法成功的在鏡面基底材料上得到了均勻和可控的微孔冷卻層，從而抑制了鏡面面型的畸變過大，同時克服了在釬焊時泡沫金屬與鏡面材料難以焊接的問題，使熔化的釬料在毛細(xì)カ的作用下適當(dāng)?shù)倪M(jìn)入泡沫金屬層的底部，減少了與鏡面基底之間的接觸熱阻。本專利技術(shù)采用釬焊技術(shù)直接制作微孔金屬冷卻鏡方法簡單，易于操作。附圖說明圖I是常規(guī)的液體冷卻鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是微孔金屬冷卻鏡的結(jié)構(gòu)圖；圖3是微孔金屬冷卻鏡的制作方法的流程圖。具體實(shí)施例方式在激光輻照下，鏡面由于吸收熱，造成溫升而膨脹，由于存在溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力，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，則可以大大降低整個鏡體溫度梯度，從而抑制鏡面面型畸變。流體換熱效果與流量大小、流槽結(jié)構(gòu)、換熱面積、以及流動狀態(tài)有夫，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地?fù)Q熱。連通微孔比表面積大、存在微尺度效應(yīng)、因而換熱效果好。本專利技術(shù)采用成熟的釬焊技術(shù)，將鏡面基底與泡沫金屬進(jìn)行焊接，再進(jìn)行封裝，可以很方便的制作微孔金屬冷卻鏡。如圖2所示，本專利技術(shù)提供的微孔金屬冷卻鏡包括鏡體9和鏡架4 ニ個部分。鏡體9包括鏡面I、過渡層2、泡沫金屬微孔層3三個部分。鏡面I、過渡層2、泡沫金屬微孔層3通過釬焊エ藝連接成一體。過渡層2緊挨鏡面I的背面7，過渡層2的作用是釬焊時將鏡面I和泡沫金屬微孔層3緊密連接起來；鏡架4與常規(guī)水冷鏡ー樣，有至少ニ個進(jìn)出液體通道 8，冷卻液通過鏡架4上的進(jìn)出液體通道8進(jìn)入泡沫金屬微孔層3，冷卻液在泡沫金屬微孔層3內(nèi)部流動，然后再通過進(jìn)出液體通道8流出。鏡架4位于泡沫金屬微孔層3的后面，與鏡體9通過螺釘連接從而形成鏡子，鏡架4與鏡體9連接后不會漏水。工作時，鏡面I的激光輻照面6面向激光，吸收激光能量，然后通過熱傳導(dǎo)使得鏡體溫度升高。冷卻液通過鏡架4上的進(jìn)出水液體通道8流入泡沫金屬微孔層3，通過換熱帶走激光輻照時鏡面I吸收的熱量，從而降低鏡面I的溫升，抑制其變形。泡沫金屬微孔層3的材料可以是Cu，Ni、Al等金屬和合金，鏡面I的材料可以是Cu、本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種微孔金屬冷卻鏡，它包括鏡體和鏡架二個部分，鏡體包括通過釬焊連接成一體的鏡面和泡沫金屬微孔層，鏡架有至少二個進(jìn)出液體通道，冷卻液通過鏡架上的其中一個進(jìn)出液體通道進(jìn)入泡沫金屬微孔層，冷卻液在泡沫金屬微孔層內(nèi)部流動，然后再通過另一個進(jìn)出液體通道流出，鏡架位于泡沫金屬微孔層的后面，并與鏡體緊密連接。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱海紅，何崇文，胡攀攀，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：