本文關(guān)鍵詞：射頻板條CO_2激光器電極表面Al_2O_3波導(dǎo)介質(zhì)膜研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：大功率射頻激勵擴散冷卻板條CO2激光器是當(dāng)前中厚板激光切割焊接的主力光源,其電極板兼具射頻放電、擴散冷卻、光學(xué)波導(dǎo)等三方面功能,電極超精密加工以及表面膜層特性是制約激光器的核心關(guān)鍵技術(shù)。本文分析了電極表面Al2O3鍍膜層的熱傳導(dǎo)、光波導(dǎo)損耗及反常色散效應(yīng)、進行了膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計；采用熱絲化學(xué)氣象沉積(HFCVD)和磁控濺射鍍膜技術(shù),深入研究了銅電極表面沉積Al2O3波導(dǎo)介質(zhì)膜的物理化學(xué)機理、工藝參數(shù)、膜層微觀結(jié)構(gòu)、表面損耗、光學(xué)特性等；激光器放電實驗測試了成品銅電極表面Al2O3波導(dǎo)介質(zhì)膜實際工作性能。主要研究內(nèi)容如下： 根據(jù)射頻板條CO2激光器平板波導(dǎo)本征模式,結(jié)合非穩(wěn)-波導(dǎo)混合腔結(jié)構(gòu),計算了銅表面和Al2O3介質(zhì)膜對CO2激光波導(dǎo)傳輸模式損耗系數(shù)γIE、γTM,其中銅表面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介質(zhì)膜的CO2激光波導(dǎo)傳輸反常色散效應(yīng)及耐高溫、抗氧化、抗激光濺射特性。結(jié)果表明,Al2O3介質(zhì)膜對CO2激光是一個理想的光波導(dǎo)陶瓷薄膜,是板條電極膜層的最佳選擇。 分析計算了電極表面Al2O3膜層熱傳導(dǎo)特性,根據(jù)2kW射頻板條C02激光器電極內(nèi)置式水道擴散冷卻機理,推導(dǎo)四層介質(zhì)熱傳導(dǎo)過程,結(jié)果顯示：Al2O3鍍膜層厚度為5微米時,激光器工作狀態(tài)鍍膜電極表面最高溫度300.4℃,銅電極表面最高溫度299℃,鍍膜層溫差不到2℃,從理論上證實電極表面Al2O3膜層不影響擴散冷卻效果：設(shè)計了一種銅基體上鍍Al2O3的梯度膜層結(jié)構(gòu),有效的解決了膜層的結(jié)合強度、電極的散熱、膜層自修復(fù)等問題。 實驗研究了銅表面高溫化學(xué)氣相沉積Al2O3膜層工藝及光學(xué)特性。以AlCl3、H2、CO2為反應(yīng)物、H2S為催化劑,800℃下在銅表面制備Al2O3膜。物相分析結(jié)果表明膜層由(α-Al2O3和γ-Al203混合晶相組成。光譜儀測試結(jié)果表明,入射角10°～80°時,膜層對10.6μ.m入射光的反射率平均85%；驗證了Al2O3對CO2光波的反常色散效應(yīng)。但是高溫鍍膜工藝容易造成電極焊點脫落及熱變形,不適合板條電極鍍膜。 重點深入研究了銅表面低溫磁控濺射制備Al2O3波導(dǎo)介質(zhì)膜。以純Al為靶材、工作氣體氬氣(Ar)、反應(yīng)氣體為O2,制備Al2O3膜。宏觀形貌分析表明氧氬比是膜層顏色關(guān)鍵影響因素,氧氬比在1：10-1：4范圍變化時,鍍膜層的顏色變化依次為黑色—深灰—亮灰白—透明；微觀分析表明鍍膜層主要成分為Al和O；原子數(shù)A1：O,遠大于2：3,膜層結(jié)構(gòu)為Al+Al2O3,滿足電極鍍膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計；測試了不同角度下的反射率,在掠入射角為10°～80°時,Al2O3膜層對波長為10.6微米的CO2光波的最高反射率為85%° 研究了不同狀態(tài)鍍膜層在2kW射頻板條C02激光器放電穩(wěn)定性及光波導(dǎo)效果,檢測了放電時間對電極表面特性的影響。長時間放電測試表明,鍍膜電極激光器的電光轉(zhuǎn)換效率由10.4%上升到11.2%。裸銅電極激光器的電光轉(zhuǎn)換效率則由6.5%下降到4.4%。鍍膜電極波導(dǎo)損耗由1.51dB/m降到1.12dB/m；裸銅電極波導(dǎo)損耗由1.69dB/m升到3.52dB/m°分析表明,放電過程有助于鍍膜層內(nèi)Al氧化生成Al2O3實現(xiàn)膜層自我修復(fù)與增強且不影響放電穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：射頻板條CO_2激光器 Al_2_3波導(dǎo)介質(zhì)膜 大功率射頻放電擴散冷卻 波導(dǎo)損耗
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248.22
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-26
• 1.1 大功率CO_2激光器電極結(jié)構(gòu)的發(fā)展11-14
• 1.2 射頻板條CO_2激光器電極材料與膜層材料的發(fā)展14-18
• 1.3 Al_2O_3波導(dǎo)介質(zhì)膜制備技術(shù)發(fā)展動態(tài)18-23
• 1.4 本文的目的和意義23-26
• 2 電極表面Al_2O_3介質(zhì)膜波導(dǎo)特性研究26-34
• 2.1 射頻板條激光器光波導(dǎo)26-29
• 2.2 Al_2O_3波導(dǎo)介質(zhì)膜對CO_2光波反常色散特性29-32
• 2.3 Al_2O_3抗電子濺射、抗激光損傷特性32
• 2.4 本章小結(jié)32-34
• 3 電極表面Al_2O_3膜層擴散冷卻特性分析34-43
• 3.1 射頻板條CO_2激光器電極冷卻流道設(shè)計34-36
• 3.2 板條電極鍍Al_2O_3膜前后溫度場模擬36-41
• 3.3 本章小結(jié)41-43
• 4 熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)方法高溫制備Al_2O_3薄膜43-55
• 4.1 實驗條件43-44
• 4.2 HFCVD方法Al_2O_3鍍膜工藝研究44-46
• 4.3 鍍膜結(jié)果測試與分析46-54
• 4.4 本章小結(jié)54-55
• 5 磁控濺射方法制備Al_2O_3薄膜55-81
• 5.1 實驗條件55-58
• 5.2 鍍膜工藝分析優(yōu)化58-63
• 5.3 磁控濺射Al_2O_3波導(dǎo)介質(zhì)膜鍍膜實驗63-65
• 5.4 Al_2O_3度膜層物相分析65-75
• 5.5 鍍膜電極試樣光學(xué)特性檢測75-79
• 5.6 本章小結(jié)79-81
• 6 鍍膜電極放電實驗研究81-102
• 6.1 2kW射頻板條CO_2激光器實驗系統(tǒng)81-82
• 6.2 放電性能檢測檢測82-90
• 6.3 鍍膜電極放電熱穩(wěn)定性測試分析90-94
• 6.4 電極波導(dǎo)損耗實驗94-98
• 6.5 鍍膜電極表面抗氧化、抗激光損傷分析98-100
• 6.6 本章小結(jié)100-102
• 7 全文總結(jié)與展望102-106
• 7.1 本論文主要工作總結(jié)102-103
• 7.2 下一步工作建議103-104
• 7.3 主要創(chuàng)新點104-106
• 致謝106-108
• 參考文獻108-117
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄117-118
• 附錄2 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研活動118

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