法向射流水冷镜结构设计与模拟验证

【摘要】：激光器谐振腔反射镜热变形是制约高能激光器性能提高的重要因素之一。水冷是当前应用最为广泛的激光腔镜冷却技术,国内外学者对多种水冷镜进行了研究,美俄等国的研究成果都达到了很高的水平。国内程祖海等人对微通道沟槽结构水冷硅镜做了细致的研究,但是结构相对比较复杂、难以加工成大口径反射镜、水流侧向注入导致的不均匀性等因素限制了沟槽结构水冷硅镜的普遍应用。 射流冷却的优异性能使其已广泛应用于涡轮机叶片冷却、微电子芯片散热等领域。为了更好的解决高能激光器反射镜热形变问题,本文以法向射流式水冷镜为研究对象,设计了结构合理的射流式水冷镜,建立了相应的数值模型,并对模型的可靠性进行了验证。 在模型可靠性验证的基础上,对影响射流式水冷镜形变的各个因素进行了分析,通过数值模拟,探索出射流式水冷镜结构设计的一般规律,实现了其结构的优化设计;通过不同材料镜体形变性能的比较,表明碳化硅是较理想的水冷镜镜体材料;通过与常见几种水冷镜的性能对比,表明射流式水冷镜具有更好的冷却性能。 结合高能化学激光器中水冷镜的特点,分析了影响其形变的因素,对高功率化学激光作用下大口径水冷镜形变进行了计算,从理论上掌握了化学激光器水冷镜形变的基本规律,为工程实际应用提供了参考。 为了从实验上验证本文数值计算的正确性,加工了射流式水冷铜镜模拟件,进行了简单的流体实验,探明了水流流动的基本规律。对铜镜模拟件温度场的测定,初步证明了射流式水冷镜良好的冷却性能,实验所得结果与数值模拟的结果吻合较好,初步验证了本文建模和计算的正确性。 通过以上研究可知,射流式水冷镜具有形变小、结构简单、冷却均匀性好等优异性能;射流式碳化硅水冷镜能得到极低的镜面形变,是射流式水冷镜的理想材料;射流式水冷镜在高能化学激光器的冷却中具有一定的应用前景。