專利名稱：一種微孔金屬冷卻鏡及其制作方法
技術領域：
本發明屬于激光光學諧振腔領域，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諧振腔和光學鏈。
背景技術：
激光光學諧振腔腔鏡和 光學鏈中的反射鏡由于吸收激光能量，導致鏡面溫升，造成鏡面面型改變，引起激光波陣面畸變，造成輸出光束質量和穩定性下降。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中的關鍵技木。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，熱變形最小；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、光學加工性能和機械性能，僅僅采用優化基體材料的単一方法已不能滿足高能激光對高光束質量的特殊要求；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，無法短期內大幅度提高。目前激光反射鏡的反射率已經相當高，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，液體冷卻鏡已經得到了廣泛應用。常規的液體冷卻鏡結構如圖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構形狀有夫。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、導熱防凍防銹液，其中水以價廉、熱容大得到了廣泛的應用。液體流量大，可以得到大的雷諾數，得到有益于換熱的流動方式和大的換熱系數。但是大的液體流量會對鏡面帶來沖擊，從而帶來附加變形。所以液體流量在實際使用中有一定限制。因此在實際液體冷卻不變形鏡的研制中，合適的流槽結構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，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。常規液體冷卻鏡液體流槽現都是采用機械加工的方法來制作。由于機加工水平的限制，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，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、高表面積/體積比、低傳熱溫差、低流動阻カ等特點，此外微孔微流槽由于存在微尺度效應以及微擾動引起的附加換熱作用，可以大大增強換熱效果，因此其效率高，性能優于常規水冷鏡，在激光功率越來越來高的今天得到了廣泛的關注。雖然現在采用線切割等エ藝能使水道寬度達到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體區，因而加工后特別是拋光、鍍膜后由于應カ釋放，鏡面易產生不均勻附加變形，流槽越寬，這種附加變形越大。采用微孔技術則能避免這種缺陷。采用激光燒結技術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。
發明內容
本發明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，増大換熱效果，減少鏡面溫升和畸變；本發明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定的多孔冷卻鏡。本發明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，鏡架有至少ニ個進出液體通道，冷卻液通過鏡架上的其中一個進出液體通道進入泡沫金屬微孔層，冷卻液在泡沫金屬微孔層內部流動，然后再通過另ー個進出液體通道流出，鏡架位于泡沫金屬微孔層的后面，并與鏡體水密連接。本發明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。本發明通過釬焊技術直接將鏡面與泡沫金屬進行釬焊連接，使冷卻液體能夠在泡沫金屬層中循環流動，從而實現對鏡面的冷卻，降低鏡面溫升和變形。本發明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カ的作用下適當的進入泡沫金屬層的底部，減少了與鏡面基底之間的接觸熱阻。本發明采用釬焊技術直接制作微孔金屬冷卻鏡方法簡單，易于操作。
圖I是常規的液體冷卻鏡結構示意圖；圖2是微孔金屬冷卻鏡的結構圖；圖3是微孔金屬冷卻鏡的制作方法的流程圖。
具體實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，產生熱應力，從而產生鏡面變形。如果在激光的非輻照區采用水冷導走熱量，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、流槽結構、換熱面積、以及流動狀態有夫，如果增加換熱面積并改變流動狀態，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換熱。連通微孔比表面積大、存在微尺度效應、因而換熱效果好。本發明采用成熟的釬焊技術，將鏡面基底與泡沫金屬進行焊接，再進行封裝，可以很方便的制作微孔金屬冷卻鏡。如圖2所示，本發明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與常規水冷鏡ー樣，有至少ニ個進出液體通道 8，冷卻液通過鏡架4上的進出液體通道8進入泡沫金屬微孔層3，冷卻液在泡沫金屬微孔層3內部流動，然后再通過進出液體通道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，然后通過熱傳導使得鏡體溫度升高。冷卻液通過鏡架4上的進出水液體通道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、Mo、W、Si 或 SiC 等。本發明方法采用釬焊技術，將泡沫金屬微孔層3與鏡面I進行釬焊，其具體過程如下步驟I :將泡沫金屬材料(孔隙大小為IOnm到Imm之間，孔隙率在10%到95%之間)和鏡面材料清洗干凈；步驟2 :在鏡面I的背面7上鍍覆厚度約為在數百納米至數十微米過渡層2 (通常為500nm—80um)，過渡層2材料是能夠增加鏡面和泡沫金屬潤濕性的材料；如果鏡面和泡沫金屬之間本身有良好的潤濕性，則無需涂覆過渡層2 ；步驟3 :將涂覆過渡層的鏡面與泡沫金屬材料置入釬焊爐中釬焊從而得到鏡體9。釬焊溫度范圍在500°C到2000°C之間，釬焊時間在2h到200h之間；步驟4 :將鏡架4與鏡體9通過螺釘固定。下面通過借助實施例更加詳細地說明本發明，但以下實施例僅是說明性的，本發明的保護范圍并不受這些實施例的限制。實例I :以泡沫Cu作為泡沫金屬微孔層材料，Si作為鏡面材料步驟I :將孔隙大小為10 μ m、孔隙率為95%的泡沫Cu材料和放入Si鏡面清洗干凈；步驟2 :在Si上鍍覆厚度為500nm的過渡層，其中第一層是厚度為200nm的Cr，第ニ層是厚度為300nm的Ag ；步驟3 :將鍍覆過渡層的Si與泡沫Cu釬焊成鏡體。釬焊接溫度為1000°C，焊接時間為2h ；
步驟4 :將焊接好的鏡體和鏡架通過螺釘連接成一體，連接后的鏡子不得漏水。實例2 以泡沫Cu作為泡沫金屬微孔層材料，Mo作為鏡面材料步驟I :將孔隙大小為10mm、孔隙率為10%的泡沫Cu和Mo清洗干凈；步驟2 :由于Mo和Cu之間有良好的潤濕性，因此無需涂覆過渡層。將Mo鏡面與泡沫銅釬焊，焊接溫度為1000°c，焊接時間為5h ；步驟3 :將焊接好的鏡體和鏡架通過螺釘連接成一體，連接后的鏡子不得漏水。實例3 以泡沫Ni作為泡沫金屬微孔層材料，W作為鏡面材料步驟I :將孔隙大小為100 μ m、孔隙率為60%的泡沫Ni和W鏡面清洗干凈； 步驟2 :由于W和Ni之間有良好的潤濕性，因此無需涂覆過渡層。將W鏡面與泡沫Ni進行焊接，焊接溫度為2000°C，焊接時間為130h ；步驟3 :將焊接好的鏡體和鏡架通過螺釘連接成一體，連接后的鏡子不得漏水。實例4 以泡沫Al合金作為泡沫金屬微孔層材料，Cu作為鏡面材料步驟I :將孔隙大小為1mm、孔隙率為20%的泡沫Al合金和Cu鏡面清洗干凈；步驟2 :將Cu基底與泡沫Al合金進行焊接，焊接溫度為800°C，焊接時間為80h ；步驟3 :將焊接好的鏡體和鏡架通過螺釘連接成一體，連接后的鏡子不得漏水。實例5 以泡沫Al合金作為泡沫金屬微孔層材料，SiC基作為鏡面材料步驟I :將孔隙大小為500 μ m、孔隙率為80%的泡沫Al合金和SiC鏡面清洗干凈并干燥；步驟2 :采用Pd鹽活化的方法在SiC基底材料表面鍍覆厚度為80 μ m的Ni-P鍍層；步驟3 :將SiC鏡面與泡沫Al合金釬焊，焊接溫度為500°C，焊接時間為200h ；步驟4 :將焊接好的鏡體和鏡架通過螺釘連接成一體，連接后的鏡子不得漏水。以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種微孔金屬冷卻鏡，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，鏡架有至少二個進出液體通道，冷卻液通過鏡架上的其中一個進出液體通道進入泡沫金屬微孔層，冷卻液在泡沫金屬微孔層內部流動，然后再通過另一個進出液體通道流出，鏡架位于泡沫金屬微孔層的后面，并與鏡體緊密連接。
2.根據權利要求I所述的微孔金屬冷卻鏡，其特征在于，所述鏡體還包括釬焊時將鏡面和泡沫金屬微孔層緊密連接起來過渡層，過渡層緊挨鏡面的背面。
3.根據權利要求I或2所述的微孔金屬冷卻鏡，其特征在于，所述泡沫金屬微孔層的材料為Cu，Ni或Al，或其合金。
4.根據權利要求I或2所述的微孔金屬冷卻鏡，其特征在于，所述鏡面的材料是Cu、Mo、W、Si 或 SiC0
5.一種權利要求I所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。
6.一種權利要求5所述的制備方法，其特征在于，在潔凈的鏡面置入釬焊爐前，先在進行鏡面的背面上鍍覆一層過渡層，過渡層材料為能夠增加鏡面和泡沫金屬潤濕性的材料。
7.—種權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述過渡層的厚度為500nm--80um。
8.—種權利要求5或6或7所述的制備方法，其特征在于，所述泡沫金屬材料的孔隙在IOnm到Imm之間，孔隙率在10 %到95 %之間。
全文摘要
本發明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。通過釬焊技術直接將鏡面與泡沫金屬材料進行釬焊連接，使冷卻液體能夠在泡沫金屬材料中循環流動，從而實現對鏡面的冷卻，降低鏡面溫升和變形。本發明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力的作用下適當的進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。釬焊技術直接制作微孔金屬冷卻鏡方法簡單，易于操作。
文檔編號H01S3/042GK102856779SQ201210333509
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者朱海紅, 何崇文, 胡攀攀 申請人:華中科技大學