射頻板條CO2激光器電極表面Al2O3波導介質(zhì)膜研究.pdf

1、大功率射頻激勵擴散冷卻板條CO2激光器是當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、光學波導等三方面功能，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鍵技術。本文分析了電極表面Al2O3鍍膜層的熱傳導、光波導損耗及反常色散效應、進行了膜層結構設計；采用熱絲化學氣象沉積（HFCVD）和磁控濺射鍍膜技術，深入研究了銅電極表面沉積Al2O3波導介質(zhì)膜的物理化學機理、工藝參數(shù)、膜層微觀結構、表面損耗、光學特性等；激光

2、器放電實驗測試了成品銅電極表面Al2O3波導介質(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激光器平板波導本征模式，結合非穩(wěn)-波導混合腔結構，計算了銅表面和Al2O3介質(zhì)膜對CO2激光波導傳輸模式損耗系數(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激光波導傳輸反常色散效應及耐高溫、抗

3、氧化、抗激光濺射特性。結果表明，A12O3介質(zhì)膜對CO2激光是一個理想的光波導陶瓷薄膜，是板條電極膜層的最佳選擇。
　　分析計算了電極表面Al2O3膜層熱傳導特性，根據(jù)2kW射頻板條CO2激光器電極內(nèi)置式水道擴散冷卻機理，推導四層介質(zhì)熱傳導過程，結果顯示：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

4、果；設計了一種銅基體上鍍Al+Al2O3的梯度膜層結構，有效的解決了膜層的結合強度、電極的散熱、膜層自修復等問題。
　　實驗研究了銅表面高溫化學氣相沉積Al2O3膜層工藝及光學特性。以AlCl3、H2、CO2為反應物、H2S為催化劑，800℃下在銅表面制備Al2O3膜。物相分析結果表明膜層由α-Al2O3和γ-Al2O3混合晶相組成。光譜儀測試結果表明，入射角10°～80°時，膜層對10.6μm入射光的反射率平均85％；驗證了Al

5、2O3對CO2光波的反常色散效應。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波導介質(zhì)膜。以純Al為靶材、工作氣體氬氣（Ar）、反應氣體為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)Al：O，遠大于2:3，

6、膜層結構為Al+ Al2O3，滿足電極鍍膜層結構設計；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CO2激光器放電穩(wěn)定性及光波導效果，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