光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法，冷却流道结构包括设置于光学元件内部的环形流道和直线流道，环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接，使用驱动泵将折射率与光学元件折射率相同的冷却液输送至光学元件的冷却流道结构中，由光学元件冷却流道结构的出口排出的冷却液经换热器和冷水机降温后再通过驱动泵输送至光学元件的冷却流道结构中；本发明专利技术针对光学元件高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，优先对高斯光束中心处进行冷却，有效提高了冷却效果。了冷却效果。了冷却效果。

【技术实现步骤摘要】
光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法


[0001]本专利技术涉及高功率激光冷却
，具体为光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法。

技术介绍

[0002]在高功率激光设备中集成了大量光学元件，光学元件多采用半导体材料制成。当高功率激光穿过这些光学元件时，光学元件将会吸收激光产生的废热，由于半导体材料本身热导率较低，导致这些废热难以及时散出，造成光学元件热变形，严重影响其光学性能并降低其使用寿命。同时随着激光设备的功率逐步提高，光学元件吸收的废热越来越多，已难以通过常规的风冷或水冷的方式达到有效散热的目的。
[0003]申请号为CN201811608418.5的中国专利技术专利公开了一种冷却装置以及投影仪，能够降低透过窗部的光从气泡受到的影响。该冷却装置用于冷却光学元件，具有供流体循环的循环流路，所述循环流路具有：窗部，设置于所述光学元件的入射侧或者出射侧，使光透射；蒸发部，与所述窗部连接，并具有多个通道部；以及散热部，使所述流体的热散热，所述窗部、所述蒸发部以及所述散热部沿所述流体的循环方向按所述窗部、所述蒸发部、所述散热部的顺序设置，所述流体在液体状态下使所述光透射，在所述窗部中，所述流体为液体，在多个所述通道部中，作为液体的所述流体蒸发而成为气体，在所述散热部中，作为气体的所述流体凝结而成为液体，所述通道部的截面积小于所述窗部与所述蒸发部的边界的截面积。
[0004]上述的冷却装置及其冷却方法通过流体循环回路进行光学元件冷却，未能针对高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，且流体回路未能深入光学元件内部，冷却效率偏低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种光学元件、冷却装置和方法、冷却流道结构及其制造方法，用于解决现有的冷却装置和冷却方法未能针对高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，且流体回路未能深入光学元件内部，冷却效率偏低的问题。
[0006]本专利技术是这样实现的：一种冷却流道结构，用于光学元件，包括：环形流道，设置于光学元件的内部，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；直线流道，设置于光学元件的内部，所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接。
[0007]可选的，所述环形流道为圆环状流道或者为环形跑道式流道，所述环形流道和直线流道均为宽度小于1mm的微通道流道。
[0008]一种光学元件，包括元件基体和元件盖板，所述元件基体的背面设置有冷却流道结构，所述元件盖板设置于元件基体的背面，密封住冷却流道结构；所述冷却流道结构包括
环形流道和直线流道，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接。
[0009]可选的，所述环形流道为圆环状流道或者为环形跑道式流道，所述环形流道和直线流道均为宽度小于1mm的微通道流道，所述元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面。
[0010]一种光学元件的冷却装置，所述光学元件的内部设置有冷却流道结构，所述冷却流道结构包括环形流道和直线流道，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接；冷却装置包括驱动泵、换热器、冷水机、存放罐以及过滤器，所述存放罐中放置有冷却液，所述驱动泵的进液端与存放罐的冷却液出液口相连，所述驱动泵的出液端与光学元件的冷却流道结构的入口相连，所述光学元件的冷却流道结构的出口与存放罐的冷却液回液口相连，所述过滤器设置于驱动泵的出液端与光学元件冷却流道结构的入口之间；所述换热器用于冷却存放罐中的冷却液，所述换热器与冷水机相连，所述冷水机提供的冷水由换热器中通过。
[0011]可选的，所述换热器设置于存放罐中，所述换热器呈螺旋管状，所述换热器进水端和出水端分别连接有进水管和出水管，所述换热器的进水端靠近存放罐的出液口，所述进水管与冷水机的出水口相连，所述出水管与冷水机的进水口相连；所述存放罐的出液口处设置有温度传感器，所述温度传感器与冷水机的控制系统电性相连。
[0012]一种光学元件的冷却方法，包括以下步骤：S1、在光学元件的内部设置冷却流道结构，所述冷却流道结构包括环形流道和直线流道，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接；S2、使用驱动泵将折射率与光学元件折射率相同的冷却液输送至光学元件的冷却流道结构中，由光学元件冷却流道结构的出口排出的冷却液经换热器和冷水机降温后再通过驱动泵输送至光学元件的冷却流道结构中，如此循环。
[0013]可选的，所述冷却液选用折射率匹配液，所述折射率匹配液由基液和辅助剂按照一定比例混合而成，所述基液为丙三醇或聚乙二醇中的任意一种，所述辅助剂为稀释剂或乳化剂中的任意一种。
[0014]一种光学元件冷却结构的制造方法，所述光学元件包括元件基体和元件盖板，包括以下步骤：S1、在元件基体的背面激光刻蚀出冷却流道结构，进行冷却流道结构的激光刻蚀时，将刻蚀所需激光功率降低至1J/cm2以下，激光间距控制在10um以内，重复多次扫描，通过吸收层热量累计效应完成冷却流道结构的刻蚀；S2、将元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面，完成冷却流道结构的密封。
[0015]可选的，所述吸收层采用金属掩膜，所述金属掩膜的材质选用铜、银、铝中的任意一种，重复扫描次数在10次以上。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
1、本专利技术可针对光学元件高斯光束中心点热流密度远高于光束边缘的特性进行高效冷却，优先对光学元件位于高斯光束中心处的部位进行冷却，有效提高了光学元件的冷却效果。
[0017]2、本专利技术的冷却流体回路深入到光学元件的内部，对光学元件进行冷却时，冷却液由光学元件的内部对光学元件进行冷却，有效提高了光学元件的冷却效率。
[0018]3、光学元件的环形流道为宽度小于1mm的微通道流道，小尺度扩大了冷却液的表面积/体积比，增大了换热面积、壁面积以及边界层面积，加剧了层流效应。同时小尺度流道结构本身具有更大的毛细力，加剧了毛细效应和扩散效应，有助于进一步提高光学元件的冷却效果。
[0019]4、本专利技术光学元件的冷却流道结构的入口和出口均位于光学元件的边缘处，使得冷却流道结构的出入口结构以及冷却液管路的设置均不会干涉光路，均不会影响光学元件的正常使用。
[0020]5、本专利技术的冷却液使用折射率与光学元件的折射率相同的折射率匹配液，不会对光学元件造成腐蚀，也不会影响光学元件的使用性能。
[0021]6、本专利技术进行冷却流道结构的激光刻蚀时，将刻蚀所需激光功率降低至1J/cm2以下，激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冷却流道结构，用于光学元件，其特征在于，包括：环形流道，设置于光学元件的内部，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；直线流道，设置于光学元件的内部，所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接。2.根据权利要求1所述的一种冷却流道结构，其特征在于，所述环形流道为圆环状流道或者为环形跑道式流道，所述环形流道和直线流道均为宽度小于1mm的微通道流道。3.一种光学元件，其特征在于，包括元件基体和元件盖板，所述元件基体的背面设置有冷却流道结构，所述元件盖板设置于元件基体的背面，密封住冷却流道结构；所述冷却流道结构包括环形流道和直线流道，所述环形流道的宽度由中心向外部逐步变大，且环形流道的入口位于环形流道的中心处，出口位于光学元件的边缘处；所述直线流道的入口位于光学元件的边缘处，出口与环形流道的入口相接。4.根据权利要求3所述的一种光学元件，其特征在于，所述环形流道为圆环状流道或者为环形跑道式流道，所述环形流道和直线流道均为宽度小于1mm的微通道流道，所述元件盖板通过键合技术键合在元件基体的背面。5.一种光学元件的冷却装置，所述光学元件的内部设置有权利要求1所述的冷却流道结构，其特征在于，包括驱动泵、换热器、冷水机、存放罐以及过滤器，所述存放罐中放置有冷却液，所述驱动泵的进液端与存放罐的冷却液出液口相连，所述驱动泵的出液端与光学元件的冷却流道结构的入口相连，所述光学元件的冷却流道结构的出口与存放罐的冷却液回液口相连，所述过滤器设置于驱动泵的出液端与光学元件冷却流道结构的入口之间；所述换热器用于冷却存放罐中的冷却液，所述换热器与冷水机相连，所述冷水机提供的冷水由换热器中通过。6.根据权利要求5所述的一种光学元件的冷却装置，其特征在于，所述换热器设置于存...

【专利技术属性】
技术研发人员：武春风，胡灿，李强，姜永亮，胡黎明，韩西萌，高政旺，庞中昊，吕亮，胡金萌，
申请(专利权)人：中国航天三江集团有限公司，
类型：发明
国别省市：