硅基多孔不變形鏡的研制.pdf

1、高功率激光工作時(shí)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(dòng)冷卻技術(shù)來(lái)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(mǎn)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(lái)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

2、沒(méi)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(duì)其抑制熱畸變能力進(jìn)行了優(yōu)化，具體如下：
　　(1)針對(duì)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(guò)渡層的方法對(duì)Si基底進(jìn)行改性，通過(guò)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(guò)渡層的制備方法，最終采用SLS技術(shù)燒結(jié)Cu、Cu-P和SiO2的混合粉末的方法

3、成功實(shí)現(xiàn)了所需過(guò)渡層的制備，并對(duì)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(guò)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(guò)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SiO2粉末對(duì)10.6?m波長(zhǎng)激光良好的吸收增加了擴(kuò)散時(shí)間；此外SiO2粉末對(duì)10.6?m波長(zhǎng)激光良好的吸收也改善了Cu-P與Si基底間的潤(rùn)濕性，減少了球化現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)

4、了過(guò)渡層與Si基底良好的冶金結(jié)合。
　　(2)采用SLS技術(shù)在過(guò)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(duì)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(shí)間和凈吸收激光功率密度變化的規(guī)律：隨著激光輻照時(shí)間的增加，鏡面熱畸變?cè)?-1s內(nèi)急劇增長(zhǎng)，在1s以后進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)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(shí)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

5、需的時(shí)間越長(zhǎng)，在本論文中，當(dāng)凈吸收功率密度為5.3×105 W/m2時(shí)，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(jiǎn)單立方堆疊模型，分析了不同孔隙率的鏡體在激光輻照時(shí)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(shì)；提出了特征對(duì)流換熱長(zhǎng)度函數(shù)H（dp，dn，ε）及其計(jì)算公式，特征對(duì)流換熱長(zhǎng)度函數(shù)H的值越大，多孔結(jié)構(gòu)的等效換熱

6、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(duì)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(shí)間變化的趨勢(shì)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