SU1755236A1

SU1755236A1 - Cooled laser mirror

Info

Publication number: SU1755236A1
Application number: SU904905397A
Authority: SU
Inventors: Владимир Александрович Бекренев; Андрей Николаевич Голиков; Владимир Николаевич Гореликов; Александр Иванович Полторакин; Леонид Борисович Челознов
Original assignee: Научно-исследовательский институт тепловых процессов
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1992-08-15

Abstract

Изобретение относитс к лазерной технике . Целью изобретени вл етс увеличение стабильности зеркала и увеличение ресурса работы за счет снижени термодеформаций отражающего сло при интенсивных поглощенных тепловых потоках пор дка 0,5-1 Вт/см2. Использование: в мощных лазерных установках. Сущность изобретени : зеркало содержит корпус, отражающий металлический слой из компактного материала, соединенный посредством диффузионной сварки с пористым промежуточным слоем из того же вещества, что и отражающий слой, который диффузионно сварен с пористой подложкой, имеющей большую объемную пористость, чем промежуточный слой. 1 ил.The invention relates to laser technology. The aim of the invention is to increase the stability of the mirror and increase the service life by reducing the thermal deformations of the reflecting layer with intense absorbed heat fluxes of the order of 0.5-1 W / cm2. Usage: in high-power laser systems. SUMMARY OF THE INVENTION: A mirror comprises a housing, a reflective metal layer of a compact material, connected by diffusion welding to a porous intermediate layer of the same substance as the reflective layer, which is diffusionally welded to a porous substrate having a greater volumetric porosity than the intermediate layer. 1 il.

Description

Изобретение относитс к лазерной технике , к силовой оптике мощных лазерных установок.The invention relates to laser technology, to power optics of high-power laser systems.

Известны многочисленные конструкции охлаждаемых лазерных зеркал, содержащие корпус, отражающий металлический слой, подложку, в которой выполнены каналы дл подвода и отвода хладагента.Numerous designs of cooled laser mirrors are known, comprising a housing, a reflective metal layer, and a substrate in which channels for supplying and discharging refrigerant are provided.

Недостатком таких конструкций вл етс наличие ограничени по снимаемому тепловому потоку, часто не удовлетвор ющее разработчиков мощных лазеров. Увеличить коэффициент теплоотдачи можно либо увеличива скорость течени хладагента, либо уменьша сечение канала. И то и другое увеличивает перепад давлени хладагента, что нежелательно вследствие возможных деформаций зеркала. Дл решени задачи необходимо резкое увеличение поверхности , с которой осуществл етс теплосъем.The disadvantage of such structures is the presence of a limitation on the heat flux taken off, which often does not satisfy the developers of high-power lasers. The heat transfer coefficient can be increased either by increasing the coolant flow rate or by reducing the channel cross section. Both increase the pressure drop of the refrigerant, which is undesirable due to possible deformations of the mirror. To solve the problem, a sharp increase in the surface from which heat removal is carried out is necessary.

Это достигаетс применением в качестве подложки зеркала пористых структур.This is achieved by using porous structures as the substrate of the mirror.

Известны конструкции зеркал, содержащие корпус, отражающий слой, подложку , систему подвода-отвода хладагента, в котором подложка выполнена из пористого материала. Основной трудностью, при создании таких зеркал вл етс обеспечение интенсивного и равномерного по площади зеркала теплоотвода от отражающего сло , выполненного из компактного материала, в пористую подложку. Этот теплоотвод осуществл етс в основном за счет теплопроводности , поэтому тепловое сопротивление зоны контакта должно быть минимально возможным. Недостатком известных конструкций охлаждаемых зеркал вл етс отсутствие в них конструктивно-технологических решений, гарантирующих выполнение указанной задачи.Known designs of mirrors, comprising a housing, a reflective layer, a substrate, a system for supplying a coolant, in which the substrate is made of a porous material. The main difficulty in creating such mirrors is to ensure the heat dissipation from a reflective layer made of compact material to the porous substrate that is intense and uniform in the mirror area. This heat removal is carried out mainly due to thermal conductivity, therefore, the thermal resistance of the contact zone should be as low as possible. A disadvantage of the known constructions of cooled mirrors is the absence in them of constructive-technological solutions guaranteeing the accomplishment of this task.

(Л СП(L SP

гоgo

Сл)Sl)

сьis smiling

Целью изобретени вл етс увеличе- ние стабильности формы зеркала и увеличение ресурса работы за счет снижени термодеформаций отражающего сло при интенсивных поглощенных тепловых потоках (пор дка 0,5 -1 кВт/см ).The aim of the invention is to increase the stability of the mirror shape and increase the service life by reducing the thermal deformations of the reflecting layer during intense absorbed heat fluxes (on the order of 0.5-1 kW / cm).

Дл достижени казанной цели в известной конструкции охлаждаемого зеркала, содержащей корпус, отражающий металлический слой, пористую подложку и систему подвода-отвода хладагента, пориста подложки выполнена из материала МР (метал- лорезина), а между ней и отражающим слоем (из компактного металла) установлен промежуточный слой из того же вещества, что и отражающий слой, причем толщина промежуточного сло д и диаметр d проволочной спирали материала МР св заны со- d (4-лг)To achieve this goal, in a well-known structure of a cooled mirror, comprising a housing, a reflective metal layer, a porous substrate and a coolant supply-drain system, the porous substrate is made of material MP (metal rubber), and between it and the reflective layer (of compact metal) an intermediate layer of the same substance as the reflecting layer, and the thickness of the intermediate layer and the diameter d of the wire helix of the material MR are connected with d (4-lg)

отношением 6ratio 6

8eight

, а объемна and volume

пористость промежуточного сло меньше чем у nopncYou подложки. Отражающий слой, промежуточный слой и пориста подложка соединены между собой посредством диффузионной сварки в вакууме.The intermediate layer porosity is less than that of the nopncYou substrate. The reflective layer, the intermediate layer and the porous substrate are interconnected by means of diffusion welding in vacuum.

Выбор материала МР дл пористой подложки обеспечивает благодар механическим свойствам МР (легкость получени упругопластичных деформаций) при приложении небольшого давлени хороший контакт с промежуточным слоем при сохранении необходимой дл охлаждени зеркала объемной пористости. Кроме того, материал МР технологичен, не требует дл своего создани специализированных производств и тем самым облегчает изготовление охлаждаемых зеркал.аThe choice of MP material for a porous substrate provides, due to the mechanical properties of the MR (ease of obtaining elastoplastic deformations) when a small pressure is applied, good contact with the intermediate layer while maintaining the volume porosity necessary for cooling the mirror. In addition, the material MP is technological, does not require specialized industries for its creation, and thus facilitates the manufacture of cooled mirrors.

После проведени операции прессовани на поверхности материала МР имеютс неоднородности, которые определ ютс диаметром проволочной спирали d, из которой выполнена МР. Поэтому пр мое соединение МР с компактным отражающим слоем дает точечные контакты, суммарна площадь которых недостаточна дл эффективного отвода тепла в пористую подложку. Установка между подложкой и компактным материалом промежуточного сло резко увеличивает площадь контактов. Объем пористого сло расчитан так, чтобы при соединении с подложкой этот слой заполн л неровности ее поверхности, дополн ее до плоскости. Поэтому толщина этого сло 5 св зана с диаметром проволочной спирали d указанным соотношением, которое получаетс исход из геометрии контакта поверхности МР в виде плотно уложенных спиралей диаметра d с плоским отражающим слоем. Увеличение д от расчетногоAfter the pressing operation, there are irregularities on the surface of the MP material, which are determined by the diameter of the wire helix d from which the MP is made. Therefore, direct connection of MP with a compact reflective layer gives point contacts, the total area of which is insufficient for efficient heat removal to the porous substrate. The installation between the substrate and the compact material of the intermediate layer dramatically increases the contact area. The volume of the porous layer is designed so that when connected to the substrate, this layer will fill the irregularities of its surface, add it to the plane. Therefore, the thickness of this layer 5 is related to the diameter of the wire helix d by the specified ratio, which is obtained from the contact geometry of the surface MP in the form of tightly packed spirals of diameter d with a flat reflective layer. Increase d from the calculated

значени приводит к дополнительному (и нежелательному) перепаду температур по толщине зеркала, а уменьшение снижает площадь контактов, что также ведет к росту температуры на поверхности зеркала.this leads to an additional (and undesirable) temperature difference across the thickness of the mirror, and a decrease reduces the contact area, which also leads to an increase in temperature on the surface of the mirror.

Поверхность контакта подложки с отражающим слоем увеличиваетс при наличии промежуточного сло в силу его меньшей, чем у подложки объемной пористости.The contact surface of the substrate with the reflective layer increases with the presence of the intermediate layer due to its smaller volume than the substrate of bulk porosity.

0 Отражающий слой, промежуточный слой и подложка соединены между собой посредством диффузионной сварки в вакууме . После операции сварки промежуточный слой и подложка иеют существенно боль5 шую, чем в начальном состо нии прочность и теплопроводность, что необходимо дл функционировани зеркала.0 The reflective layer, the intermediate layer and the substrate are interconnected by diffusion welding in vacuum. After the welding operation, the intermediate layer and the substrate have a significantly higher strength and thermal conductivity than in the initial state, which is necessary for the functioning of the mirror.

На чертеже приведена конструкци предлагаемого охлаждаемого зеркала.The drawing shows the design of the proposed cooled mirror.

0 Охлаждаемое лазерное зеркало содержит корпус 1, отражающий металлический слой 2 из компактного материала, соединенный посредством диффузионной сварки с пористым промежуточным слоем 3 из того0 The cooled laser mirror contains a housing 1, a reflective metal layer 2 of compact material, connected by diffusion welding to a porous intermediate layer 3 of that

5 же вещества, что и отражающий слой 2Г который в свою очередь диффузионно приварен к пористой подложке 4, имеющей большую объемную пористость, чем промежуточный слой 3. В корпусе 1 размещена5 is the same substance as the reflective layer 2G which, in turn, is diffusion-welded to the porous substrate 4, which has a greater volumetric porosity than the intermediate layer 3. In case 1 it is placed

0 система 5 подвода и- отвода хладагента к пористой подложке 4.0 system 5 for supplying and withdrawing refrigerant to the porous substrate 4.

При подаче охлаждающей жидкости во входной коллектор охлаждаемого зеркала она через каналы системы подвода хлада5 гента, расположенные равномерно по площади зеркала, поступает в пористую подложку 4 и промежуточный слой 3, в которые с другой стороны подводитс за счет теплопроводности тепловой поток от отра0 жающего сло 2.When coolant is supplied to the inlet manifold of the cooled mirror, it passes through the channels of the coolant supply system, evenly distributed over the mirror area, into the porous substrate 4 and the intermediate layer 3, on which the heat flux from the reflecting layer 2 is supplied to the other side.

Теплосьем осуществл етс на развитой поверхности пористой структуры. Нагретый хладагент выводитс из зеркала через пористую подложку 4 и каналы системы 5 отводаThe heat sink is carried out on a developed surface of the porous structure. The heated refrigerant is discharged from the mirror through the porous substrate 4 and the channels of the exhaust system 5.

5 хладагента.5 refrigerants.

Испытани модели предлагаемого охлаждаемого зеркала в лазерном луче показали , что оно остаетс работоспособным (термодеформации зеркальной поверхно0 сти остаютс в пределах нормы) при тепловых потоках в 2-3 раза выше, чем дл зеркал известных конструкций.Testing the model of the proposed cooled mirror in a laser beam showed that it remains operable (thermal deformations of the mirror surface remain within the normal range) with heat fluxes 2-3 times higher than for mirrors of known designs.

Claims

Claims of the invention A cooled laser mirror containing a housing, a reflective metal layer, a porous substrate, a coolant supply and removal system, characterized in that, in order to improve the stability of the shape of the mirror and increase its service life by reducing thermal deformations

reflecting layer with intense heat fluxes, the substrate is made of metal resins, and between the reflecting layer and the substrate there is an intermediate porous layer of the same substance as the reflecting layer, and the bulk porosity is smaller than that of the substrate material, and the thickness of the intermediate layer (6) and the diameter (d) of the metal-rubber wire helix are related by

. d (AL) / O.