技術領域

本發明屬于激光光學諧振腔領域，具體涉及一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術。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；采用主動冷卻技術，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單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一種手段，但反射率的提高受限于鍍膜材料和鍍膜工藝，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1所示，由鏡面1、流槽層5和鏡架4組成。鏡面1與流槽層5通過釬焊或者其他連接方法連接成一體。鏡面1包含二個面：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1吸收的熱量，從而抑制鏡子溫升，降低熱變形。鏡架4通常包含至少二個液體通道口8，鏡架4為整個鏡子提供支撐以及為流槽層5提供進出液體通道口。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關。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、低流動阻力等特點，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工藝能使水道寬度達到0.1mm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，工藝復雜，能加工流槽形狀有限。此外，這種亞mm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、鍍膜后由于應力釋放，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，增大換熱效果，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。