本文關(guān)鍵詞：硅基多孔不變形鏡的研制

  更多相關(guān)文章： 高功率激光 反射鏡 熱畸變 多孔水冷鏡 選區(qū)激光燒結(jié)制孔劑

【摘要】：高功率激光工作時反射鏡由于吸收部分激光能量導(dǎo)致鏡面熱畸變,影響光束質(zhì)量。采取主動冷卻技術(shù)來抑制鏡面熱畸變是目前的主流方法,但是常規(guī)的水冷鏡難以滿足高功率激光器的使用需求。多孔結(jié)構(gòu)由于具有高表面積/體積比,并能夠帶來附加熱彌散效應(yīng)等特點(diǎn),具有很強(qiáng)的換熱能力,所以采用多孔結(jié)構(gòu)制作熱沉層的不變形鏡擁有較強(qiáng)的鏡面熱畸變抑制能力。Si材料由于具有良好的光學(xué)加工性能和熱物理性能,是激光反射鏡的最優(yōu)和最常用材料之一,但是受三維加工能力的限制,目前還沒有合適的方法制作Si基多孔不變形鏡。本論文提出采用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering, SLS),成功地制備了Si基多孔不變形鏡,并對其抑制熱畸變能力進(jìn)行了優(yōu)化,具體如下： (1)針對Si基底難以直接燒結(jié)Cu基多孔結(jié)構(gòu)的特性,采用添加過渡層的方法對Si基底進(jìn)行改性,通過實(shí)驗(yàn)比較了熱噴涂、等離子體噴涂和激光燒結(jié)等幾種過渡層的制備方法,最終采用SLS技術(shù)燒結(jié)Cu、Cu-P和Si02的混合粉末的方法成功實(shí)現(xiàn)了所需過渡層的制備,并對其機(jī)制進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：采用SLS技術(shù)制備的過渡層,其與Si基底的連接方式為冶金—機(jī)械混合結(jié)合的方式；Cu原子通過填隙擴(kuò)散的機(jī)制進(jìn)入Si基底生成了Cu3Si合金相；Cu原子能夠向Si基底良好擴(kuò)散的原因?yàn)镻降低了Cu原子的擴(kuò)散激活能以及Si02粉末對10.6μm波長激光良好的吸收增加了擴(kuò)散時間；此外Si02粉末對10.6μm波長激光良好的吸收也改善了Cu-P與Si基底間的潤濕性,減少了球化現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)了過渡層與Si基底良好的冶金結(jié)合。 (2)采用SLS技術(shù)在過渡層上進(jìn)行了Cu基多孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié),實(shí)現(xiàn)了Si基多孔不變形鏡的制作,并對Si基多孔不變形鏡在激光輻照下鏡面熱畸變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了鏡面熱畸變隨時間和凈吸收激光功率密度變化的規(guī)律：隨著激光輻照時間的增加,鏡面熱畸變在0-1s內(nèi)急劇增長,在1s以后進(jìn)入緩慢增長階段,隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)基本不變；鏡面熱畸變達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間與激光凈吸收功率密度有關(guān),凈吸收功率密度越大,達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間越長,在本論文中,當(dāng)凈吸收功率密度為5.3×105W/m2時,鏡面熱畸變達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要6s；達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,鏡面熱畸變的大小隨著激光凈吸收功率密度的上升而上升。 (3)采用簡單立方堆疊模型,分析了不同孔隙率的鏡體在激光輻照時的鏡面熱畸變,模擬結(jié)果顯示鏡面最大熱畸變量隨著多孔結(jié)構(gòu)中孔隙率的增加呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢；提出了特征對流換熱長度函數(shù)H (dp, dn, e)及其計(jì)算公式,特征對流換熱長度函數(shù)H的值越大,多孔結(jié)構(gòu)的等效換熱系數(shù)就越大。 (4)采用添加致孔劑的方法,實(shí)現(xiàn)了高孔隙率多孔不變形Si鏡的制備,并在固定工藝參數(shù)情況下,分析了多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率、孔隙大小、機(jī)械性能與致孔劑的添加量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著致孔劑添加量的增加,孔隙率和孔隙大小也隨著之增加,而多孔結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度隨之降低。 (5)研究了孔隙率對鏡面熱畸變大小的影響規(guī)律：不同孔隙率下鏡面的熱畸變隨時間變化的趨勢一致；在一定范圍內(nèi),隨著多孔結(jié)構(gòu)孔隙率的增加,Si基多孔不變形鏡的熱畸變量會隨之減少,而當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)孔隙率超過某一范圍時,Si基多孔不變形鏡的熱畸變量又會隨之增加,其規(guī)律與模擬結(jié)果相符；在激光凈吸收功率密度為5.3×105W/m2時,孔隙率為49.1%的Si基多孔不變形鏡呈現(xiàn)最小的鏡面熱畸變,其大小為253nm。
【關(guān)鍵詞】：高功率激光 反射鏡 熱畸變 多孔水冷鏡 選區(qū)激光燒結(jié)制孔劑
【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】：TN304.12
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• 1 緒論11-25
• 1.1 引言11-14
• 1.2 主動冷卻鏡14-16
• 1.3 多孔水冷鏡16-18
• 1.4 AM技術(shù)18-23
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容23-25
• 2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法25-30
• 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置平臺25
• 2.2 粉末材料準(zhǔn)備25-27
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法27
• 2.4 分析測試27-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 3 多孔結(jié)構(gòu)的制作30-47
• 3.1 引言30-31
• 3.2 過渡層的制備31-44
• 3.4 多孔結(jié)構(gòu)的連通性44-45
• 3.5 本章小結(jié)45-47
• 4 硅基多孔不變形鏡面鏡面熱畸變的實(shí)驗(yàn)研究47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 鏡子準(zhǔn)備47-52
• 4.3 熱臺架實(shí)驗(yàn)平臺52-53
• 4.4 水流擾動引起的鏡面變形53-54
• 4.5 鏡面熱畸變隨時間和激光功率密度的變化54-57
• 4.6 本章小結(jié)57-58
• 5 多孔不變形鏡鏡面熱畸變的數(shù)值模擬研究58-68
• 5.1 引言58
• 5.2 多孔結(jié)構(gòu)的質(zhì)熱傳遞過程58-61
• 5.3 應(yīng)力應(yīng)變控制方程組61-62
• 5.4 ANSYS有限元模型的建立62-63
• 5.5 多孔不變形鏡的換熱系數(shù)63-65
• 5.6 孔隙率對鏡面熱畸變的影響65-66
• 5.7 多孔結(jié)構(gòu)的特征對流換熱長度函數(shù)H66-67
• 5.8 本章小結(jié)67-68
• 6 硅基多孔不變形鏡的性能優(yōu)化68-80
• 6.1 引言68
• 6.2 SLS工藝參數(shù)與孔隙率的關(guān)系68-70
• 6.3 NaCl制孔劑及含量對孔隙率的影響70-73
• 6.4 孔隙率對鏡面熱畸變的影響73-78
• 6.6 本章小結(jié)78-80
• 7 總結(jié)與展望80-83
• 7.1 全文總結(jié)80-82
• 7.2 論文主要創(chuàng)新點(diǎn)82
• 7.3 工作展望82-83
• 致謝83-85
• 參考文獻(xiàn)85-95
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄95-96

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