射頻板條CO2激光器電極表面Al2O3波導(dǎo)介質(zhì)膜研究.pdf

1、大功率射頻激勵(lì)擴(kuò)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(kuò)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(jìn)行了膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(jī)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

2、器放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試了成品銅電極表面Al2O3波導(dǎo)介質(zhì)膜實(shí)際工作性能。主要研究?jī)?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(jì)算了銅表面和Al2O3介質(zhì)膜對(duì)CO2激光波導(dǎo)傳輸模式損耗系數(shù)γTE、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

3、氧化、抗激光濺射特性。結(jié)果表明，A12O3介質(zhì)膜對(duì)CO2激光是一個(gè)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(jì)算了電極表面Al2O3膜層熱傳導(dǎo)特性，根據(jù)2kW射頻板條CO2激光器電極內(nèi)置式水道擴(kuò)散冷卻機(jī)理，推導(dǎo)四層介質(zhì)熱傳導(dǎo)過(guò)程，結(jié)果顯示：Al2O3鍍膜層厚度為5微米時(shí)，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(shí)電極表面Al2O3膜層不影響擴(kuò)散冷卻效

4、果；設(shè)計(jì)了一種銅基體上鍍Al+Al2O3的梯度膜層結(jié)構(gòu)，有效的解決了膜層的結(jié)合強(qiáng)度、電極的散熱、膜層自修復(fù)等問(wèn)題。
　　實(shí)驗(yàn)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-Al2O3混合晶相組成。光譜儀測(cè)試結(jié)果表明，入射角10°～80°時(shí)，膜層對(duì)10.6μm入射光的反射率平均85％；驗(yàn)證了Al

5、2O3對(duì)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(diǎn)脫落及熱變形，不適合板條電極鍍膜。
　　重點(diǎn)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(shí)，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)Al：O，遠(yuǎn)大于2:3，

6、膜層結(jié)構(gòu)為Al+ Al2O3，滿足電極鍍膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；測(cè)試了不同角度下的反射率，在掠入射角為10°～80°時(shí)，Al2O3膜層對(duì)波長(zhǎng)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CO2激光器放電穩(wěn)定性及光波導(dǎo)效果，檢測(cè)了放電時(shí)間對(duì)電極表面特性的影響。長(zhǎng)時(shí)間放電測(cè)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