專利名稱：熱補償可控波相差復合微變形鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光光學諧振腔技術(shù)，具體涉及一種熱補償可控波相差復合微變形鏡，本發(fā)明主要用于不方便水冷場合的高能激光器光學諧振腔和光學鏈。
背景技術(shù)：
激光光學諧振腔由于吸收激光能量不均勻，導致鏡面溫度不均勻(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。對于脈沖激光，由于激光器的平均功率越來越高，單脈沖能量越來越大，激光腔鏡短時間內(nèi)承受的熱也越來越大，產(chǎn)生的不均勻熱變形和相位畸變更為嚴重。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??；鍍制高反膜，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。
水冷一直是高功率激光器常用的主動冷卻方案，關(guān)于水冷鏡的研究主要集中在鏡體結(jié)構(gòu)方面，現(xiàn)已在工業(yè)界室內(nèi)場合下廣泛引用。通常的水冷鏡都是采用水作為冷卻介質(zhì)，對鏡子整體進行冷卻，導走鏡面吸收的激光能量，從而抑制鏡子溫升，降低熱變形。但是這種鏡子整體全面水冷的方法有時達不到使用要求，由于鏡子總是大于激光輻照區(qū)，激光輻照區(qū)與鏡面非激光輻照區(qū)、鏡面與背面之間還是存在溫度梯度，因而仍然會產(chǎn)生翹曲變形(如圖2所示)。采用降低鏡子溫度梯度而降低鏡面不均勻變形的方法，國際上也已有專利。Russell等人采用在激光輻照面用流體冷卻，降低鏡面溫升；而在激光輻照背面采用加熱流體，提高鏡子背面溫度的方法來降低鏡子的溫度梯度，從而降低鏡面變形(US Patent 4253739)；Armier等人(US Patent2005/0002434A1)在此基礎(chǔ)上加以改進，省掉了加熱的電阻絲，而在流道結(jié)構(gòu)上加以改善，即將通過激光輻照區(qū)的流體引入鏡子的側(cè)面和背面，利用流體的釋放熱量來加熱鏡子的側(cè)面和背面，從而降低鏡子的溫度梯度。但是采用這種水冷鏡對于在野外工作不具備冷卻水等場合是不適合的，特別是車載和機載等激光武器場合。
1991年，美國技術(shù)公司的John Bluege和Lake Park等人發(fā)明了“固-液相變冷卻鏡”(U.S.Patent 5076348)。該發(fā)明采用了超薄鏡結(jié)構(gòu)，但基體材料不是銅，而是光學加工性能優(yōu)良的硅；也采用了主動冷卻技術(shù)，但不需附加冷卻系統(tǒng)，僅僅依靠儲存于鏡腔內(nèi)相變材料的相變吸熱過程達到冷卻目的。他們研制的相變致冷硅鏡，鏡體尺寸為100mm×100mm，鏡面厚度僅1.5mm，當鏡面反射率為99.9％時，在1MW強激光輻射下，鏡面熱變形量為0.05μm，一次連續(xù)工作時間可達47s，基本上能滿足百萬瓦級氧碘化學激光器對全反腔鏡的技術(shù)要求。程祖海等人也相繼發(fā)明了“相變致冷超薄多層鏡”，“相變致冷窗口”(中國發(fā)明專利號ZL95124931.2，ZL98109199.X)，其原理都是采用物質(zhì)相變吸熱而降低鏡面和窗口的溫升。通常相變物質(zhì)采用相變點在25～30℃的物質(zhì)，如石蠟、金屬稼等。該類鏡子在強激光作用下已顯示出如下問題相變物質(zhì)的溫度是一定的，難以適應多變的氣溫；相變物質(zhì)的導熱不夠快，當緊挨鏡體固體基體邊沿的相變物質(zhì)熔化后，離基體較遠的相變物質(zhì)熔化較慢，難以滿足高功率激光特別是脈寬越來越窄的高功率脈沖激光的要求；為了存儲相變物質(zhì)，通常是在基體材料內(nèi)激光輻照的背面打孔或者切槽來實現(xiàn)，由于加工工藝的限制，相變物質(zhì)的存量有限，無法滿足越來越高的激光功率和越來越長的激光作用時間。
還有一種方法是采用復合材料的方法，利用材料的熱脹冷縮系數(shù)不一樣來降低鏡面變形(US Patent 3609589)。典型的是鏡子背面材料的熱脹冷縮系數(shù)大于鏡面的，這樣在激光作用下，雖然鏡面的溫升比背面溫升大，但產(chǎn)生的熱變形則是一樣的。這種方法理論上可行，實際中則難以調(diào)節(jié)，特別是當激光功率的變化時，鏡面和背面的溫度差發(fā)生改變，起不到預想的效果。
另外一種方法是采用半導體制冷片來抽運鏡子所吸收的激光能量，研究表明，該方法能夠有效降低鏡子的溫升，但是對降低鏡面面型畸變則無能為力。
Friede等人(US Patent 5751750)采用從鏡子背面和前面區(qū)域加熱的辦法來保持鏡面的面型。如果采用背面加熱的辦法，則加熱區(qū)域與激光輻照區(qū)域一樣大，功率一樣，以減少鏡子在沿激光方向的溫度梯度，從而減少變形。這種方法對于使用時間較短的鏡子來說是有用的，但是對于高強激光或者作用時間較長的激光來說，鏡子的總體溫升很大，會帶來材料性能的下降甚至膜層脫落。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱補償可控波相差復合微變形鏡，該復合微變形鏡可以在保持鏡體一定溫度下減小鏡面的不均勻變形，還可以控制鏡面波相差。
本發(fā)明提供的一種熱補償可控波相差復合微變形鏡，其特征在于它包括鏡體、快速熱量抽運裝置、吸熱裝置、鏡架和控制器；鏡架上由下至上依次安裝有吸熱裝置、快速熱量抽運裝置和鏡體，鏡體由加熱裝置和鏡子組成，鏡子的鏡面面向激光輻照區(qū)，加熱裝置位于非激光輻照區(qū)；控制器與加熱裝置相連，控制加熱裝置的發(fā)熱時間和發(fā)熱功率；控制器與快速熱量抽運裝置相連，控制快速熱量抽運裝置的抽運速度和能量。
本發(fā)明克服了野外移動平臺裝載長時間連續(xù)工作的高能激光器無法用水冷卻的困難，同時解決了目前各種全反射鏡冷卻方式不足的問題。激光器工作時，鏡面輻照區(qū)由于吸收激光能量產(chǎn)生溫度升高，與非輻照區(qū)形成溫度梯度，此時位于激光非輻照區(qū)的加熱裝置工作，使得激光非輻照區(qū)的溫度與激光輻照區(qū)同步升高，從而抑制鏡體的溫度梯度，來達到減少及控制鏡面面型變形和波相差的目的。在激光停止輻照時，快速熱量抽運裝置工作，將鏡體增加的熱量快速抽運給吸熱裝置，從而限制鏡體的整體溫升，使整個鏡體的溫升保持在設(shè)定溫度水平。本發(fā)明復合微變形鏡結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，當高能激光連續(xù)工作時間和累計工作次數(shù)不太多時，可以非常有效地控制鏡面熱畸變的大小，從而控制波相差。
圖1是鏡面在激光的輻照下產(chǎn)生不均勻變形造成波相差；圖2是水冷鏡由于存在溫度梯度仍然產(chǎn)生翹曲變形；圖3是本發(fā)明熱補償可控波相差復合微變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是熱補償可控波相差復合微變形鏡的工作流程圖；圖6是用ANSYS有限元工程設(shè)計軟件模擬的效果圖。
具體實施例方式
在激光輻照下，鏡面由于熱吸收溫升而膨脹，由于激光輻照面、側(cè)面和背面的溫度升高不同，產(chǎn)生彎曲。如果在激光的非輻照區(qū)和背面加熱(加熱量與激光功率有關(guān)，可人為控制)，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。本發(fā)明基于上述原理設(shè)計而成，下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
如圖3所示，本發(fā)明提供的復合微變形鏡包括鏡體1、快速熱量抽運裝置2、吸熱裝置3、鏡架4和控制器5。
鏡架4上由下至上依次安裝有吸熱裝置3、快速熱量抽運裝置2和鏡體1，鏡體1由加熱裝置和鏡子6組成，鏡子6的鏡面面向激光輻照區(qū)。
鏡架4上裝有電纜接口，該電纜接口的一端與加熱裝置中的發(fā)熱元件8和快速熱量抽運裝置2相連，另一端通過電纜與控制器5相連。控制器5用于控制加熱裝置的發(fā)熱時間和發(fā)熱功率，并控制快速熱量抽運裝置2的抽運速度和能量。
如圖4所示，鏡體1包括鏡子6和加熱裝置二部分。鏡子6采用硅(Si)、銅(Cu)或鉬(Mo)等導熱快、強度高的材料，并經(jīng)光學拋光鍍膜，形成鏡面，鏡面面向激光輻照區(qū)。加熱裝置由發(fā)熱元件8和導熱劑7組成，發(fā)熱元件8位于導熱劑7中。加熱裝置置于激光非輻照區(qū)，如鏡面的背面或邊緣，并與鏡面密封成一體。發(fā)熱元件8可以是基于電加熱方式的任何加熱裝置，如電阻絲、電熱片等。導熱劑7包括任何可以均勻快速導熱并具有良好填充性能的物質(zhì)，如金屬粉末、陶瓷粉末、金屬液體以及其他能快速導熱的液體氣體等。加熱裝置可以分區(qū)設(shè)置，由控制器可以控制其工作區(qū)域大小、加熱速度和時間。
加熱裝置可以在激光輻照時加熱鏡子的非輻照區(qū)，拉平鏡子的溫度梯度，從而控制鏡子的溫度梯度和鏡面波相差。
快速熱量抽運裝置2用于快速抽運鏡面吸收的激光能量和加熱裝置帶來的能量，抑制鏡面和鏡子的溫升。它由半導體制冷片或熱管等構(gòu)成，控制器5控制其工作時間和抽運方向。半導體制冷片或熱管也可以分區(qū)設(shè)置，控制器5控制熱管或半導體制冷片的工作數(shù)量。
吸熱裝置3可以在激光不工作時，吸收快速熱量抽運裝置2抽運來的鏡體的能量，從而控制鏡子的整體溫升。吸熱裝置3可以是杜瓦、熱容池或者制冷機。熱容池內(nèi)裝有相變潛熱大、相變溫度在30～60℃的相變物質(zhì)。當快速熱量抽運裝置2工作時，將熱量快速導入到裝滿相變潛熱極大的熱容池或杜瓦，熱容池內(nèi)的相變物質(zhì)或杜瓦吸熱熔化或氣化，吸收大量熱能，在相變物質(zhì)沒有完全熔化或氣化的前提下，鏡子6的溫度保持恒定。也可以采用制冷機直接制冷，使鏡子6的溫度保持恒定。
控制器5可以采用單片機或程序控制器(PLC)等實現(xiàn)。
下面根據(jù)圖5說明本發(fā)明熱補償可控波相差復合微變形鏡的工作流程。
激光器工作時，鏡子6的輻照區(qū)由于吸收激光能量產(chǎn)生溫度升高，與非輻照區(qū)形成溫度梯度，加熱裝置加熱鏡子的非輻照區(qū)，同步拉平激光非輻照區(qū)與輻照區(qū)的溫度，降低鏡面和鏡子的溫度梯度。
當激光脈沖過后或者激光停止輻照時，快速熱量抽運裝置2工作，將鏡體1的儲熱導走，由吸熱裝置3吸收快速熱量抽運裝置2抽運的熱量。
通過控制快速熱量抽運裝置2和吸熱裝置3的工作參數(shù)，鏡子的溫度在一個脈沖間隔或使用循環(huán)間隔內(nèi)可以回復到激光輻照前的溫度(通常是環(huán)境溫度)，從而使得激光腔鏡在長時間工作時保持溫度、鏡子6面型和波相差恒定，以便再次投入使用，。
采用ANSYS有限元工程設(shè)計軟件模擬，本發(fā)明的仿真效果如圖6所示，控制熱輸入的大小可以達到控制鏡面熱畸變的大小，從而控制波相差。
權(quán)利要求
1.一種熱補償可控波相差復合微變形鏡，其特征在于它包括鏡體(1)、快速熱量抽運裝置(2)、吸熱裝置(3)、鏡架(4)和控制器(5)；鏡架(4)上由下至上依次安裝有吸熱裝置(3)、快速熱量抽運裝置(2)和鏡體(1)，鏡體(1)由加熱裝置和鏡子(6)組成，鏡子(6)的鏡面面向激光輻照區(qū)，加熱裝置位于非激光輻照區(qū)；控制器(5)與加熱裝置相連，控制加熱裝置的發(fā)熱時間和發(fā)熱功率；控制器(5)與快速熱量抽運裝置(2)相連，控制快速熱量抽運裝置(2)的抽運速度和能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合微變形鏡，其特征在于所述加熱裝置由發(fā)熱元件(8)和導熱劑(7)組成，發(fā)熱元件(8)位于導熱劑(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復合微變形鏡，其特征在于所述快速熱量抽運裝置(2)由半導體制冷片或熱管構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復合微變形鏡，其特征在于吸熱裝置(3)為杜瓦、熱容池或者制冷機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱補償可控波相差復合微變形鏡。它包括鏡體、快速熱量抽運裝置、吸熱裝置、鏡架和控制器；鏡架上由下至上依次安裝有吸熱裝置、快速熱量抽運裝置和鏡體，鏡體由加熱裝置和鏡子組成，鏡子的鏡面面向激光輻照區(qū)，加熱裝置位于非激光輻照區(qū)；控制器通過鏡架上的電纜接口與加熱裝置和快速熱量抽運裝置相連，控制加熱裝置的發(fā)熱時間和發(fā)熱功率、以及快速熱量抽運裝置的抽運速度和能量。本發(fā)明克服了野外移動平臺裝載長時間連續(xù)工作的高能激光器無法用水冷卻的困難，同時解決了目前各種全反射鏡冷卻方式不足的問題。本發(fā)明采用熱補償和熱抽運非常有效地控制鏡面熱畸變的大小，控制鏡面波相差，并且其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。
文檔編號H01S3/13GK1972041SQ20061012539
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者朱海紅, 余亮英, 程祖海, 陳佳元 申請人:華中科技大學