CN104852257A - 一种大口径激光液冷镜构型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径激光液冷镜构型，包括一块反射面板、一块分配板和一块背板，分配板背面有进水一级流道和出水一级流道，分配板正面有平行分布的进水二级流道和出水二级流道；背板上有若干进水孔和出水孔；反射面板的正面为反射面，背面则为三级流道。本发明由于采用了基于交指型流道的多级冷却流道结构，可以在较小的通水压力下为转移反射面沉积热提供较大流量的冷却液体，同时使各微细流道内冷却液体压力和流量分配相对均匀，在反射面上实现了较均匀的散热，从而抑制了大口径腔镜过大的热畸变。本发明相邻的二级流道分别与进水一级流道和出水一级流道相通，并与三级流道垂直堆叠，不必流经整段细长的三级流道，从而大大降低了流阻。
Description
技术领域
本发明属于激光光学领域，具体涉及一种液体冷却反射镜结构，尤其涉及一种大口径激光液冷镜构型，主要用于高功率密度和面形精度要求高的高能激光器光学谐振腔和光学链。
背景技术
激光光学谐振腔镜在接受激光辐照时会吸收一部分能量，导致镜面温度升高，由于热扩散作用，镜面温升不均匀，热变形也不均匀，进而造成镜面面形精度变差，引起激光波阵面畸变，恶化输出光束质量和稳定性。因此，降低反射面的热畸变并提高面形精度是高功率激光谐振腔镜研制的关键。当前的解决方案主要分为三个方面：选择热膨胀系数低的基体材料，使得反射面在吸收同等热量下，热变形最小；在反射面上镀高反膜，提高反射率，降低镜面对激光能量的吸收率；采用主动冷却技术，转移反射面沉积的热量，从而降低其温升。由于镜体材料的选择受限于材料的物理性能、光学加工性能以及机械性能，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；提高反射面的反射率是最为直接有效的手段，但当前反射率已达到99.99％的工艺极限，仍难以满足日益增长的高功率需求。因此，采用主动冷却技术转移反射镜面沉积的热量被认为是目前解决激光谐振腔镜、特别是高功率谐振腔镜热变形的最主要的解决方法。
在各种冷却技术中，液冷技术因换热效率高而被普遍采用。在现有液冷镜结构中，广泛采用截面尺度在毫米至百微米之间的微细直流道阵列，微细流道阵列可以提供很大的表面积/体积比，从而增强换热效果，降低反射面的热变形。并且，直流道结构形式简单，便于设计和机械加工。但是，由于直流道存在热进口效应，换热系数随着进口距离的增加而减小，同时受流阻的影响，流体存在沿程压力损失。这使得流体进出口存在温度和压力差，导致反射面温度不均问题；另外，对于大口径激光反射镜，由于激光辐照面积变大，相应的水冷区域面积也要变大，于是流道长度较长，沿程阻力升高，必须提供更高的供液压力以维持散热性能。在这种情形下，流体压力会引起较大的镜面变形。
美国专利US4314742提出一种具有多层混叠的螺旋型冷却流道的激光反射镜，多条螺旋形流道以镜面中心为入口流向镜面边缘，具有均匀的换热特性，适于对大直径尺寸的镜面进行冷却；但是冷却液体在这种镜体的流道结构内流动时同样会遇到很大的阻力。并且，对于单晶硅等难加工材料，此结构极难加工。
发明内容
针对上述内容，为解决现有设计方法的不足，本发明提出要提出一种冷却液体流动阻力小且易于加工的大口径激光液冷镜构型。
为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种大口径激光液冷镜构型的设计方法，用于激光光学谐振腔及光学链中，通过在微细流道下方设置若干与其相交的交指型流道，以缩短冷却液体在微细流道内的流动距离。交指型流道又称为叉指型流道或交叉梳状流道，是一种梳子形状的流道结构。
一种大口径激光液冷镜构型，包括一块反射面板、一块分配板和一块背板，所述的分配板背面有若干进水一级流道和出水一级流道，分配板正面有平行分布的进水二级流道和出水二级流道；所述的背板上有若干进水孔和出水孔；所述的反射面板的正面为反射面，背面则为宽度0.1-2mm间距0.1-2mm的三级流道；所述的反射面为工作面，受激光辐照并反射激光；所述的分配板背面的若干进水一级流道和出水一级流道分别直接与背板上的进水孔和出水孔相通；所述的进水二级流道相通与进水一级流道相通，出水二级流道与出水一级流道相通，并且进水二级流道和出水二级流道在分配板上间隔排布，形成交指流道结构；反射面板的背面和分配板的正面贴合，反射面板上的三级流道长度方向和分配板上的二级流道长度方向互相垂直。
本发明所述的三级流道截面形状包括矩形、梯形、三角形或半圆形。
本发明所述的反射面板、分配板和背板的平面轮廓形状相同，平面轮廓形状包括圆形或正多边形。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明由于采用了基于交指型流道的多级冷却流道结构，可以在较小的通水压力下为转移反射面沉积热提供较大流量的冷却液体，同时使各微细流道内冷却液体压力和流量分配相对均匀，在反射面上实现了较均匀的散热，从而抑制了大口径腔镜过大的热畸变。
2、本发明相邻的二级流道分别与进水一级流道和出水一级流道相通，并与三级流道垂直堆叠。作为关键结构，二级流道的引流作用使冷却液体从进水孔流到出水孔，不必流经整段细长的三级流道，而只须流经三级流道位于两相邻二级流道间的部分，从而大大降低了流阻。另外，由于一、二级流道截面尺寸较大，理论上流阻较小，冷却液体沿程压力损失也较小，这使得各三级流道位于相邻两二级流道间的部分的压降一致性较好，从而保证所分配到的流量相对均匀，最终实现了反射面各处换热相对均匀。
3、本发明相对于传统的直流道液冷镜，所提出的镜体新构型由于在保留微细流道高换热效率优势的同时，还具备流阻小、流量均匀和换热一致性好等特点，更适用于大口径激光液冷镜。
4、本发明通过分层设计，保留了直流道结构，避免了过多使用非直线形结构设计，这样即便采用单晶硅等难加工材料，也可以使用金刚石砂轮周向磨削加工方式制作镜体，而这种加工方式相对于化学刻蚀、电火花、磨头磨削等加工方式具有加工效率高、精度便于控制和工具磨损小等优势。
5、本发明由反射面板、分配板和背板依次堆叠组成，反射面板背面的冷却流到直接起到散热作用，其中的液体流动由分配板中的相邻交指流道压力差驱动。通过特殊设计的交指型流道，大幅减小了冷却液体的流动阻力，并且，通过分层设计，即便采用单晶硅等难加工材料，也可以采用传统磨削加工工艺进行镜体加工。
附图说明
图1是本发明的结构分解图。
图2是一种具有交指型流道的大口径激光液冷镜构型的部件图。
图3是一种具有交指型流道的大口径激光液冷镜构型的流场结构。
图4是本发明实例达到热平衡时反射面上的温度分布云图。
图5是本发明实例达到热平衡时反射面上热变形在x方向上随径向距离变化的曲线。
图6是本发明实例达到热平衡时反射面上热变形在y方向上随径向距离变化的曲线。
图中：1、反射面板，2、分配板，3、背板，11、反射面，12、三级流道，21、出水二级流道，22、进水二级流道，23、进水一级流道，24、出水一级流道，31、出水孔，32、进水孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。本发明中的设计方案在保留传统直流道液冷镜微细流道冷却结构的基础上，增添一种交指型流道结构使镜体流阻降低，并改善了流场及散热的均匀性，避免了整个反射面发生过大的热畸变。
如图1-3所示，反射面11和微流道散热结构设计在同一块面板上，即反射面板1。反射面板1正面镀制高反膜，作为反射面11，用于反射激光，背面制作出的三级流道12，是一些微细直流道，用于冷却镜体。分配板2正面制作出相互平行的大截面流道，作为进水二级流道21和出水二级流道22，相邻的进水二级流道21和出水二级流道22分别与进水一级流道23和出水一级流道24相通。进水一级流道23和出水一级流道24的截面尺寸也很大，分别与进水孔32和出水孔31相通，并与进水二级流道21和出水二级流道22构成交指型结构。这样，进水孔32→进水一级流道23→进水二级流道21→三级流道12→出水二级流道22→出水一级流道24→出水孔31就构成了冷却液体进出镜体的一条流动通路
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。其中，镜体直径为300mm，三级流道截面为矩形，宽度为1mm，深度为2mm，间距为2mm，其所形成的水冷区域为近似圆形，直径为200mm；二级流道截面为矩形，宽度为4mm，其中与进水一级流道23相通的深度为10mm，与出水一级流道24相通的深度为15mm，间距为16mm；一级流道截面也为矩形，水力直径均大于三级流道10倍以上；进水孔32与出水孔31的直径比为1：2，这样两孔的雷诺数能始终保持一致；组装后的镜体总厚度为52.5mm；镜体材料为单晶硅；激光辐照区域为直径为200mm，中心同镜面中心重合的圆形区域，反射面吸收的功率密度为5000W/m2，初始环境温度为300K，总进口流量为62.8mL/s。
由图4所示，为本实施例所提出的具有交指型流道的大口径激光液冷镜接受激光辐照后达到稳态时反射面11上的温度分布云图。利用基于有限体积法的流热固耦合分析得到的计算结果显示，反射面最高温升仅为1.5K，而辐照区域内的最大温升差异则不足1K。这表明，新构型可以使反射面11实现较低且均匀的温升。
由图5和图6所示，为本实施例所提出的具有交指型流道的大口径激光液冷镜接受激光辐照后达到稳态时反射面11上热变形在x和y方向上随径向距离的变化曲线。利用基于有限体积法的流热固耦合分析得到的计算结果显示，反射面最大热变形约为158nm，辐照区域内热变形的峰谷值(最大值与最小值之差)为104nm，小于十分之一个氧碘化学激光波长(1.31μm)，满足氧碘化学激光器的使用要求。另外，镜体进出口压降仅为80Pa，相对于同尺度的传统直流道水冷镜，所需水压大幅降低，对镜面畸变的影响可以忽略不计。
Claims (3)
1.一种大口径激光液冷镜构型，其特征在于：包括一块反射面板(1)、一块分配板(2)和一块背板(3)，所述的分配板(2)背面有若干进水一级流道(23)和出水一级流道(24)，分配板(2)正面有平行分布的进水二级流道(22)和出水二级流道(21)；所述的背板(3)上有若干进水孔(32)和出水孔(31)；所述的反射面板(1)的正面为反射面(11)，背面则为宽度0.1-2mm间距0.1-2mm的三级流道(12)；所述的反射面(11)为工作面，受激光辐照并反射激光；所述的分配板(2)背面的若干进水一级流道(23)和出水一级流道(24)分别直接与背板(3)上的进水孔(32)和出水孔(31)相通；所述的进水二级流道(22)相通与进水一级流道(23)相通，出水二级流道(21)与出水一级流道(24)相通，并且进水二级流道(22)和出水二级流道(21)在分配板(2)上间隔排布，形成交指流道结构；反射面板(1)的背面和分配板(2)的正面贴合，反射面板(1)上的三级流道(12)长度方向和分配板(2)上的二级流道长度方向互相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种大口径激光液冷镜构型，其特征在于：所述的三级流道(12)截面形状包括矩形、梯形、三角形或半圆形。
3.根据权利要求1所述的一种大口径激光液冷镜构型，其特征在于：所述的反射面板(1)、分配板(2)和背板(3)的平面轮廓形状相同，平面轮廓形状包括圆形或正多边形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150819 |