射频板条CO_2激光器电极表面Al_2O_3波导介质膜研究

发布时间：2017-05-01 12:04

  本文关键词：射频板条CO_2激光器电极表面Al_2O_3波导介质膜研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大功率射频激励扩散冷却板条CO2激光器是当前中厚板激光切割焊接的主力光源,其电极板兼具射频放电、扩散冷却、光学波导等三方面功能,电极超精密加工以及表面膜层特性是制约激光器的核心关键技术。本文分析了电极表面Al2O3镀膜层的热传导、光波导损耗及反常色散效应、进行了膜层结构设计；采用热丝化学气象沉积(HFCVD)和磁控溅射镀膜技术,深入研究了铜电极表面沉积Al2O3波导介质膜的物理化学机理、工艺参数、膜层微观结构、表面损耗、光学特性等；激光器放电实验测试了成品铜电极表面Al2O3波导介质膜实际工作性能。主要研究内容如下： 根据射频板条CO2激光器平板波导本征模式,结合非稳-波导混合腔结构,计算了铜表面和Al2O3介质膜对CO2激光波导传输模式损耗系数γIE、γTM,其中铜表面γTE=1.74e-06和γTM=9.45e-05；Al2O3膜表面γTE=1.68e-06和γTM=2.95e-06。深入研究了Al2O3介质膜的CO2激光波导传输反常色散效应及耐高温、抗氧化、抗激光溅射特性。结果表明,Al2O3介质膜对CO2激光是一个理想的光波导陶瓷薄膜,是板条电极膜层的最佳选择。 分析计算了电极表面Al2O3膜层热传导特性,根据2kW射频板条C02激光器电极内置式水道扩散冷却机理,推导四层介质热传导过程,结果显示：Al2O3镀膜层厚度为5微米时,激光器工作状态镀膜电极表面最高温度300.4℃,铜电极表面最高温度299℃,镀膜层温差不到2℃,从理论上证实电极表面Al2O3膜层不影响扩散冷却效果：设计了一种铜基体上镀Al2O3的梯度膜层结构,有效的解决了膜层的结合强度、电极的散热、膜层自修复等问题。 实验研究了铜表面高温化学气相沉积Al2O3膜层工艺及光学特性。以AlCl3、H2、CO2为反应物、H2S为催化剂,800℃下在铜表面制备Al2O3膜。物相分析结果表明膜层由(α-Al2O3和γ-Al203混合晶相组成。光谱仪测试结果表明,入射角10°～80°时,膜层对10.6μ.m入射光的反射率平均85%；验证了Al2O3对CO2光波的反常色散效应。但是高温镀膜工艺容易造成电极焊点脱落及热变形,不适合板条电极镀膜。 重点深入研究了铜表面低温磁控溅射制备Al2O3波导介质膜。以纯Al为靶材、工作气体氩气(Ar)、反应气体为O2,制备Al2O3膜。宏观形貌分析表明氧氩比是膜层颜色关键影响因素,氧氩比在1：10-1：4范围变化时,镀膜层的颜色变化依次为黑色—深灰—亮灰白—透明；微观分析表明镀膜层主要成分为Al和O；原子数A1：O,远大于2：3,膜层结构为Al+Al2O3,满足电极镀膜层结构设计；测试了不同角度下的反射率,在掠入射角为10°～80°时,Al2O3膜层对波长为10.6微米的CO2光波的最高反射率为85%° 研究了不同状态镀膜层在2kW射频板条C02激光器放电稳定性及光波导效果,检测了放电时间对电极表面特性的影响。长时间放电测试表明,镀膜电极激光器的电光转换效率由10.4%上升到11.2%。裸铜电极激光器的电光转换效率则由6.5%下降到4.4%。镀膜电极波导损耗由1.51dB/m降到1.12dB/m；裸铜电极波导损耗由1.69dB/m升到3.52dB/m°分析表明,放电过程有助于镀膜层内Al氧化生成Al2O3实现膜层自我修复与增强且不影响放电稳定性。
【关键词】：射频板条CO_2激光器 Al_2_3波导介质膜 大功率射频放电扩散冷却 波导损耗
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248.22
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-26
• 1.1 大功率CO_2激光器电极结构的发展11-14
• 1.2 射频板条CO_2激光器电极材料与膜层材料的发展14-18
• 1.3 Al_2O_3波导介质膜制备技术发展动态18-23
• 1.4 本文的目的和意义23-26
• 2 电极表面Al_2O_3介质膜波导特性研究26-34
• 2.1 射频板条激光器光波导26-29
• 2.2 Al_2O_3波导介质膜对CO_2光波反常色散特性29-32
• 2.3 Al_2O_3抗电子溅射、抗激光损伤特性32
• 2.4 本章小结32-34
• 3 电极表面Al_2O_3膜层扩散冷却特性分析34-43
• 3.1 射频板条CO_2激光器电极冷却流道设计34-36
• 3.2 板条电极镀Al_2O_3膜前后温度场模拟36-41
• 3.3 本章小结41-43
• 4 热丝化学气相沉积(HFCVD)方法高温制备Al_2O_3薄膜43-55
• 4.1 实验条件43-44
• 4.2 HFCVD方法Al_2O_3镀膜工艺研究44-46
• 4.3 镀膜结果测试与分析46-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 磁控溅射方法制备Al_2O_3薄膜55-81
• 5.1 实验条件55-58
• 5.2 镀膜工艺分析优化58-63
• 5.3 磁控溅射Al_2O_3波导介质膜镀膜实验63-65
• 5.4 Al_2O_3度膜层物相分析65-75
• 5.5 镀膜电极试样光学特性检测75-79
• 5.6 本章小结79-81
• 6 镀膜电极放电实验研究81-102
• 6.1 2kW射频板条CO_2激光器实验系统81-82
• 6.2 放电性能检测检测82-90
• 6.3 镀膜电极放电热稳定性测试分析90-94
• 6.4 电极波导损耗实验94-98
• 6.5 镀膜电极表面抗氧化、抗激光损伤分析98-100
• 6.6 本章小结100-102
• 7 全文总结与展望102-106
• 7.1 本论文主要工作总结102-103
• 7.2 下一步工作建议103-104
• 7.3 主要创新点104-106
• 致谢106-108
• 参考文献108-117
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录117-118
• 附录2 攻读博士学位期间参与的科研活动118

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