通过增材制造技术制造的轻质主动冷却金属镜的反射率提升

《Optical Materials》：Reflectivity improvement of lightweight active cooled metal mirrors manufactured by additive manufacturing

选择性激光熔化技术制备了具有内部冷却通道的主动冷却镜，通过磁控溅射沉积高反射率银铝混合涂层，使可见至红外波段反射率提升至>95%，表面粗糙度控制在3-5纳米，优化了激光与空间光学系统的热管理性能。

　　在近年来的科学研究和技术发展中，增材制造（Additive Manufacturing, AM）作为一种创新性的制造方式，逐渐成为设计和生产主动冷却镜（Active-Cooled Mirrors, ACMs）的重要手段。与传统制造方法相比，增材制造不仅提供了更大的设计自由度，还能够有效降低材料成本和成品重量。这种技术的出现，尤其是在光学和航天领域，对于提升设备的性能和可靠性具有重要意义。

主动冷却镜的设计和制造主要依赖于高精度的增材制造工艺，其中选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术因其在复杂结构制造方面的优势而备受关注。SLM能够精确地将金属粉末熔化并逐层堆积，从而形成具有内部冷却通道的镜体结构。这种结构在高温或高功率激光应用中尤为重要，因为它可以优化冷却路径，减少热应力对镜面的影响，从而提高光学系统的稳定性。

然而，尽管增材制造在结构设计和制造方面表现优异，其成品的表面质量仍是一个关键挑战。金属表面通常具有较高的粗糙度，这会直接影响镜面的反射性能。在实际应用中，如空间望远镜和激光系统，镜面需要具备极高的反射率，以确保光信号的高效传输和数据的准确采集。因此，研究如何在增材制造后对镜面进行有效的表面处理，以提高其反射率和表面光滑度，成为当前研究的重点。

为了改善镜面的反射性能，研究人员采用了一种高反射率（High Reflectance, HR）的银-铝（Ag-Al）混合涂层。这种涂层通过磁控溅射（Magnetron Sputtering）技术进行沉积，能够在镜面表面形成均匀且光滑的反射层。实验结果表明，这种混合涂层的反射率可以达到95%以上，而表面粗糙度则控制在3-5纳米以下，这在可见光至红外波段（vis-IR）范围内具有显著优势。此外，通过使用不同粒度的砂纸对镜面进行打磨，研究人员发现表面粗糙度的降低对于提升反射率至关重要。

在实验过程中，镜面的表面处理和涂层沉积被系统地评估。使用高精度的光学轮廓仪（Optical Profilometer）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）对镜面的表面粗糙度进行了测量。测量结果表明，经过多次打磨处理后，镜面的粗糙度显著降低，这为后续的涂层沉积提供了良好的基础。同时，镜面的反射率也在不同处理阶段得到了验证，确保其能够满足高精度光学应用的需求。

除了表面处理，研究人员还对涂层的性能进行了详细分析。银-铝混合涂层的沉积过程采用了磁控溅射技术，其中银和铝分别由不同的电源驱动。银的沉积使用脉冲直流电源（Pulsed DC Power Supply），而铝的沉积则使用射频电源（Radio-Frequency Power Supply）。这种分层沉积方式能够确保银和铝的均匀分布，从而提升涂层的整体性能。此外，为了提高涂层的稳定性和耐久性，研究人员还采用了一层保护性氧化层，如二氧化硅（SiO?）作为中间层，以防止银层的氧化。

在实际应用中，镜面的反射率和表面质量直接影响其光学性能。因此，研究人员对不同处理阶段的镜面进行了详细的光学性能评估。实验结果表明，经过优化的银-铝混合涂层能够显著提高镜面的反射率，同时降低表面粗糙度，使其更接近传统精密光学制造的标准。此外，通过将镜面与以往用于空间任务的涂层进行比较，研究人员验证了这种新型涂层在实际应用中的可行性。

镜面的制造过程不仅关注结构的优化，还注重制造工艺的可控性和稳定性。研究人员使用了先进的SLM设备，如EOS M280系统，该设备配备了高功率的Yb光纤激光器和高精度的扫描系统。通过精确的激光聚焦和扫描控制，研究人员能够在镜面表面形成高质量的结构。此外，制造过程中的环境控制也非常重要，如在惰性氮气氛围中进行制造，以减少残留应力和表面氧化的可能性。

在实验过程中，研究人员还对冷却系统的性能进行了数值模拟。通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，研究人员评估了冷却液在镜面内部螺旋通道中的流动情况。模拟结果表明，这种螺旋通道结构能够实现均匀的冷却分布，从而减少热梯度对镜面的影响。此外，研究人员还对不同冷却通道的设计进行了比较，以确定最优的冷却路径。

总的来说，这项研究展示了增材制造和光学涂层技术结合的可能性，为高精度光学组件的制造提供了新的解决方案。通过优化镜面的结构设计和表面处理，研究人员成功提高了镜面的反射率和冷却性能，使其能够满足高功率激光和空间望远镜等复杂应用的需求。此外，这项研究还为未来类似技术的发展提供了理论基础和实验依据，为光学系统的设计和制造带来了新的思路和方法。