高能激光器如欲获得近衍射极限的光束质量,必须解决腔镜热吸收变形的技术难题。本文以多层水冷硅镜为研究对象,从减小热变形的角度出发,重点研究了腔镜热变形分析、多层水冷硅镜结构设计和有限元数值模拟,并对具有直线型微沟槽流道结构的多层水冷硅镜进行了台架实验和现场试验研究。在腔镜热变形理论分析方面,首先从腔镜传热模型入手,综合考虑压力变形和热变形两个因素的影响,得出了要使镜面总体变形较小,在保证镜体刚度的前提下,应尽可能采用薄镜面的结论,从而引出超薄多层水冷硅镜的研究。在多层水冷硅镜结构设计和有限元数值模拟方面,首先分析了水冷却镜镜面畸变的各种类型及其影响因素,对各种集流管式水冷却镜结构特点进行了详细的分析和总结。针对前人的不足和实际应用特殊要求,设计出了螺旋型和直线微沟槽型两种流道构型的硅基水冷镜结构,并利用ANSYS 有限元程序对这两种结构的水冷镜进行了数值模拟。模拟结果表明:相对螺旋型流道结构的水冷镜而言,直线型流道结构的水冷镜具有良好的动态热特性,在激光照射1.5 秒时就达到了稳态,而螺旋型流道结构的水冷镜则在3 秒后才达到稳态。在实验研究方面,主要从水压实验、热变形实验和镜面恢复实验三方面入手,进一步验证了该水冷镜的热变形特性。大量的台架实验结果和现场试验结果证明,虽然直线型微沟槽流道结构水冷硅镜镜面绝对热变形量与螺旋型流道相比略大,但动态热特性较好,激光器输出稳定性较高,能满足实际应用中对稳定性的要求。同时,将此镜分别用在2kW 连续CO2激光器和高能脉冲COIL 激光器上进行现场稳定性测试,其结果为:2kW 连续CO2 激光器的平均输出功率为890W,两个小时的稳定度为±3.4%,且能基本稳定在01 模为主的低阶模;高能脉冲COIL 激光器的β值最迟在2s 就能达到稳定。