硅基多孔不变形镜的研制

发布时间：2017-09-27 22:32

  本文关键词：硅基多孔不变形镜的研制

  更多相关文章： 高功率激光 反射镜 热畸变 多孔水冷镜 选区激光烧结制孔剂

【摘要】：高功率激光工作时反射镜由于吸收部分激光能量导致镜面热畸变,影响光束质量。采取主动冷却技术来抑制镜面热畸变是目前的主流方法,但是常规的水冷镜难以满足高功率激光器的使用需求。多孔结构由于具有高表面积/体积比,并能够带来附加热弥散效应等特点,具有很强的换热能力,所以采用多孔结构制作热沉层的不变形镜拥有较强的镜面热畸变抑制能力。Si材料由于具有良好的光学加工性能和热物理性能,是激光反射镜的最优和最常用材料之一,但是受三维加工能力的限制,目前还没有合适的方法制作Si基多孔不变形镜。本论文提出采用选区激光烧结技术(Selective Laser Sintering, SLS),成功地制备了Si基多孔不变形镜,并对其抑制热畸变能力进行了优化,具体如下： (1)针对Si基底难以直接烧结Cu基多孔结构的特性,采用添加过渡层的方法对Si基底进行改性,通过实验比较了热喷涂、等离子体喷涂和激光烧结等几种过渡层的制备方法,最终采用SLS技术烧结Cu、Cu-P和Si02的混合粉末的方法成功实现了所需过渡层的制备,并对其机制进行了分析。结果表明：采用SLS技术制备的过渡层,其与Si基底的连接方式为冶金—机械混合结合的方式；Cu原子通过填隙扩散的机制进入Si基底生成了Cu3Si合金相；Cu原子能够向Si基底良好扩散的原因为P降低了Cu原子的扩散激活能以及Si02粉末对10.6μm波长激光良好的吸收增加了扩散时间；此外Si02粉末对10.6μm波长激光良好的吸收也改善了Cu-P与Si基底间的润湿性,减少了球化现象,从而实现了过渡层与Si基底良好的冶金结合。 (2)采用SLS技术在过渡层上进行了Cu基多孔结构的烧结,实现了Si基多孔不变形镜的制作,并对Si基多孔不变形镜在激光辐照下镜面热畸变进行了实验研究,得到了镜面热畸变随时间和净吸收激光功率密度变化的规律：随着激光辐照时间的增加,镜面热畸变在0-1s内急剧增长,在1s以后进入缓慢增长阶段,随后进入稳态基本不变；镜面热畸变达到稳态所需的时间与激光净吸收功率密度有关,净吸收功率密度越大,达到稳态所需的时间越长,在本论文中,当净吸收功率密度为5.3×105W/m2时,镜面热畸变达到稳态需要6s；达到稳态后,镜面热畸变的大小随着激光净吸收功率密度的上升而上升。 (3)采用简单立方堆叠模型,分析了不同孔隙率的镜体在激光辐照时的镜面热畸变,模拟结果显示镜面最大热畸变量随着多孔结构中孔隙率的增加呈现先减少后增大的趋势；提出了特征对流换热长度函数H (dp, dn, e)及其计算公式,特征对流换热长度函数H的值越大,多孔结构的等效换热系数就越大。 (4)采用添加致孔剂的方法,实现了高孔隙率多孔不变形Si镜的制备,并在固定工艺参数情况下,分析了多孔结构的孔隙率、孔隙大小、机械性能与致孔剂的添加量的关系,发现随着致孔剂添加量的增加,孔隙率和孔隙大小也随着之增加,而多孔结构的三点弯曲强度随之降低。 (5)研究了孔隙率对镜面热畸变大小的影响规律：不同孔隙率下镜面的热畸变随时间变化的趋势一致；在一定范围内,随着多孔结构孔隙率的增加,Si基多孔不变形镜的热畸变量会随之减少,而当多孔结构孔隙率超过某一范围时,Si基多孔不变形镜的热畸变量又会随之增加,其规律与模拟结果相符；在激光净吸收功率密度为5.3×105W/m2时,孔隙率为49.1%的Si基多孔不变形镜呈现最小的镜面热畸变,其大小为253nm。
【关键词】：高功率激光 反射镜 热畸变 多孔水冷镜 选区激光烧结制孔剂
【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】：TN304.12
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 1 绪论11-25
• 1.1 引言11-14
• 1.2 主动冷却镜14-16
• 1.3 多孔水冷镜16-18
• 1.4 AM技术18-23
• 1.5 本论文的研究内容23-25
• 2 实验装置及方法25-30
• 2.1 实验装置平台25
• 2.2 粉末材料准备25-27
• 2.3 实验方法27
• 2.4 分析测试27-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 多孔结构的制作30-47
• 3.1 引言30-31
• 3.2 过渡层的制备31-44
• 3.4 多孔结构的连通性44-45
• 3.5 本章小结45-47
• 4 硅基多孔不变形镜面镜面热畸变的实验研究47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 镜子准备47-52
• 4.3 热台架实验平台52-53
• 4.4 水流扰动引起的镜面变形53-54
• 4.5 镜面热畸变随时间和激光功率密度的变化54-57
• 4.6 本章小结57-58
• 5 多孔不变形镜镜面热畸变的数值模拟研究58-68
• 5.1 引言58
• 5.2 多孔结构的质热传递过程58-61
• 5.3 应力应变控制方程组61-62
• 5.4 ANSYS有限元模型的建立62-63
• 5.5 多孔不变形镜的换热系数63-65
• 5.6 孔隙率对镜面热畸变的影响65-66
• 5.7 多孔结构的特征对流换热长度函数H66-67
• 5.8 本章小结67-68
• 6 硅基多孔不变形镜的性能优化68-80
• 6.1 引言68
• 6.2 SLS工艺参数与孔隙率的关系68-70
• 6.3 NaCl制孔剂及含量对孔隙率的影响70-73
• 6.4 孔隙率对镜面热畸变的影响73-78
• 6.6 本章小结78-80
• 7 总结与展望80-83
• 7.1 全文总结80-82
• 7.2 论文主要创新点82
• 7.3 工作展望82-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-95
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录95-96

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本文编号：932315