一种非接触式镜面热补偿激光反射镜

本发明属于光学反射镜，涉及一种激光反射镜。

背景技术：

0、技术背景

1、激光相比普通光源单色性好、方向性好，亮度更高，因而获得了广泛的应用，诸如激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、lif无损检测技术等等。但更高的亮度意味着更大的热量，当激光经过反射镜反射时，由于部分能量被反射镜吸收，而且一般情况下激光的能量并非均匀分布，所以会在反射镜不同的位置处产生不同的温度梯度，从而导致镜面发生热变形。镜面的热变形将改变光束的传播方向，引起光束质量下降，因此，激光反射镜热变形的改进设计对于激光的应用具有重要意义。

2、为降低镜面热变形对传输过程中光束质量的影响，朱海红等人公开了一种水冷铜镜(朱海红,程祖海,余亮英等.超薄微通道水冷铜镜的结构优化设计[j].华中科技大学学报(自然科学版),2007,no.280(04):72-74.doi:10.13245/j.hust.2007.04.022.)，通过强迫水冷的方式带走反射镜所吸收的热量。只是虽然该反射镜采取部分水冷的方式，相较于传统的全部水冷方式，在一定程度上提高了镜体内温度梯度一致性，从而抵消了部分镜面热变形，但抵消程度有限，且该系统需外置水冷机，存在成本高、重量大、体积大等缺点。实际上，根据热传导基本公式δt＝q*r，如果只是提高镜体背面换热效果，镜体不做改动，即镜体的热阻r不变，由于不同位置处的激光辐照功率q不同，镜体不同位置处引入的温差δt也将不同，必然会引起不一致的镜面热变形。由此可见，现有的水冷增强背部散热的方式有其局限性。为此，出现了一些利用结构设计来补偿镜面热变形的方法。彭玉峰公开了一种热畸变自补偿高能激光反射镜(彭玉峰.热畸变自补偿高能激光反射镜：cn201120039751.6[p].2011.02.16)，利用反射镜背部外围区域钻孔的结构设计来补偿镜面热变形，4s光照时间内补偿效果明显，但4s之内反射镜吸收的能量仅有2kj，而硅的比热容为0.985kj/kg·k，由此可知4s时候反射镜远未达到稳态，因此对于长时间光照而言该方法的效果势必要变差。聂山钧等人公开了一种热电制冷镜(聂山钧,郭劲,邵俊峰等.半导体制冷对镜面热变形影响的数值研究[j].光学学报,2015,35(01):233-238.)，通过镜体背部进行热电制冷，同时背部采用凸台式设计抵消热变形，很大程度上降低了镜面热变形，只是该方式存在热变形难以进一步降低、适用范围小等缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种非接触式镜面热补偿激光反射镜，利用在镜面施加补偿光的方式提高反射镜温度梯度一致性、降低反射镜径向温度梯度，从而达到有效抑制镜面热变形的效果。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种非接触式镜面热补偿激光反射镜，包括反射镜体、散热器、风扇、风扇电源、风扇调速器、测温热电偶、示温仪、梯度反射率镜、固定螺栓和卡具；所述散热器与反射镜体之间涂抹热界面材料以降低热阻，然后由固定螺栓通过四周的通孔进行固定，所述风扇通过两侧的卡具卡在散热器的凹槽中进行固定，并连接到风扇电源和风扇调速器，在散热器底部布置热电偶并连接到示温仪以显示测量温度；所述梯度反射率镜是一种独特的光学元件，设计用于特定波长，反射率值根据镜子表面与镜子中心的距离而变化，因此，可以通过梯度反射率镜反射出与入射光功率分布互补的光分布，系统工作时，经反射后的入射补偿光和入射光同时照射到反射镜体的反光面，根据反射镜体的吸收率及入射光的功率分布，合理设计梯度反射率镜的反射率分布和入射补偿光的功率，从而使反射镜体的整个反光面吸收的总功率为均匀分布。

4、进一步地，设入射光光强分布为i1(x1,y1)，反射镜体对入射光吸收率为a1，对入射补偿光的吸收率为a2，梯度反射率镜对入射补偿光的吸收率为a3(x2,y2)，入射补偿光光强分布为i3(x2,y2)，则满足如下关系：

5、其中，c为常数，在工作时可根据实际情况选择合适的入射补偿光波段以提高a2，a3(x2,y2)则根据上述两公式计算得到。经补偿后，镜面吸收的热量则为常数c，反射镜体内仅存在轴向的温度梯度，不再存在径向的温度梯度，镜面各处变形量一致，从而达到消除热变形影响的效果。

6、进一步地，散热器底部采用导热率高的无氧铜，使反射镜体背面温度更为均匀，由于反射镜体镜面不同位置处的轴向温度梯度相同，所以镜面热变形与反射镜体的整体温度和热膨胀系数关系不大，放宽了反射镜体材质的选材范围，降低了对散热器散热性能的要求。由于镜面不同位置处轴向温度随镜体背部温度变化而产生的变化是一致的，所以镜面热变形对散热器散热能力的波动不敏感，从而降低了对反射镜体温度稳定性的要求，采用常规的风冷或者水冷均可，无需再设计精确的控温系统。

7、进一步地，通过合理的设计，所述梯度反射率镜位于反射镜体的侧前方，不遮挡入射光和出射光，也使得补偿出射光为斜角度出射不对出射光产生干扰。

8、进一步地，所述入射补偿光波长可与入射光波长一致，也可不一致，尽量选择反射镜体吸收率高的波长以降低入射补偿光的功率。

9、本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

10、(1’)本发明所采用的表面热补偿方式为非接触式，可在不增加反射镜体结构复杂度的情况下有效的消除镜面热变形。

11、(2)本发明所采用的镜面热补偿的方式从根本上消除了引起反射镜热变形的原因，补偿效果更好，通用性更广泛。

12、(2)本发明所采用的镜面热补偿方式对镜体的整体温度和温度变化不敏感，故而可放宽反射镜体材质的选材范围，对散热器散热性能和温度稳定性的要求低，无需设计精确的控温系统。

技术特征：

1.一种非接触式镜面热补偿激光反射镜，包括反射镜体(1)、散热器(2)、风扇(3)、风扇电源(4)、风扇调速器(5)、测温热电偶(6)、示温仪(7)、梯度反射率镜(8)、固定螺栓(9)和卡具(10)，其特征在于：所述散热器(2)与反射镜体(1)之间涂抹热界面材料，然后由固定螺栓(9)通过四周的通孔进行固定，所述风扇(3)通过两侧的卡具(10)卡在散热器(2)的凹槽中进行固定，并连接到风扇电源(4)和风扇调速器(5)，在散热器(2)底部布置热电偶(6)并连接到示温仪(7)以显示测量温度，系统工作时，经反射后的入射补偿光和入射光同时照射到反射镜体(1)的反光面，根据反射镜体(1)的吸收率及入射光的功率分布，合理设计梯度反射率镜(8)的反射率分布和入射补偿光的功率，从而使反射镜体(1)的整个反光面吸收的总功率为均匀分布。

2.根据权利要求1所述的非接触式镜面热补偿激光反射镜，其特征在于：设入射光光强分布为i1(x1,y1)，反射镜体(1)对入射光吸收率为a1，对入射补偿光的吸收率为a2，梯度反射率镜对入射补偿光的吸收率为a3(x2,y2)，入射补偿光光强分布为i3(x2,y2)，则满足如下关系：

3.根据权利要求1所述的非接触式镜面热补偿激光反射镜，其特征在于：所述散热器(2)底部采用导热率高的无氧铜，针对不同的散热功率可分别采用板翅散热器、热管散热器和水冷散热器进行散热。

4.根据权利要求1所述的非接触式镜面热补偿激光反射镜，其特征在于：所述梯度反射率镜(8)不遮挡入射光和出射光，出射补偿光不对出射光产生干扰。

5.根据权利要求1所述的非接触式镜面热补偿激光反射镜，其特征在于：所述入射补偿光波长可与入射光波长一致，也可不一致，尽量选择反射镜体吸收率高的波长。

技术总结本发明公开了一种非接触式镜面热补偿激光反射镜，包括反射镜体、散热器、风扇、风扇电源、风扇调速器、测温热电偶、示温仪、梯度反射率镜、固定螺栓和卡具，可以通过梯度反射率镜反射出与入射光功率互补的光分布，并与入射光同时照射到反射镜体，则整个镜面吸收的功率为均匀分布，可消除反射镜体内径向的温度梯度，仅存在轴向的温度梯度，从而达到消除镜面热变形的目的。本发明可用于激光光路系统中，其优点是可放宽反射镜体材质的选材范围，对散热器散热性能和反射镜体温度稳定性要求低，无需高精度的温控系统。技术研发人员：聂山钧,王乐,苏衍峰,薛瑞洁,张宏受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5