射频板条CO2激光器波导电极镀膜及检测研究

摘要

高功率射频板条CO2激光器采用紫铜铜板做为电极放电材料，然而紫铜表面容易被氧化中毒和电子溅射，导致出光不稳定，从而加剧波导损耗。本文分析了板条电极的光学特性，对板条电极进行了热形变仿真计算，进行了射频板条CO2激光器电极的镀膜实验，测试了镀膜层与铜基体的结合强度，物相成分，光学性能以及损耗。主要研究内容如下。
　　（1）分析了Al2O3膜层的光学特性。其光波导结构采用非稳-波导混合腔设计，膜层由三层材料组成，中间填充的为某种气体增益介质，CO2气体占据主体，上下两层的材料是电极表面所镀的膜层，折射率为n2.。理论计算了该光波导结构下的模式输出以TE01为主。
　　（2）对电极的热形变进行了计算仿真。理论计算了电极的热应力和热形变，针对螺钉与销钉配合定位安装方式和自由无约束方式两中不同的电极安装结构进行仿真，自由无约束方案热应力远小于前者，其最大内应力为13.5MPa，而最小应力不到1MPa，远小于螺钉与销钉配合定位的2.2GPa与0.244GPa。
　　（3进行了射频板条CO2激光器电极的镀膜实验，采用JZCK-500SJ型镀膜机和TSU-1200型镀膜机，开展对氧气浓度控制的实验，在试验中将O2浓度从16%逐渐增大到22%，膜层表现出的实验现象为黑色-深灰-亮灰-透明的渐变。最佳O2浓度22%，表面亮灰色。
　　（4）对膜层进行性能检测。对镀膜试样开展多种方式检测，包括SEM显微结构分析、EDS能谱成分分析，膜层表面基本光滑，厚度为3.4um左右，且不含有Cu元素；对高功率射频板条CO2激光器电极试样和ROFIN电极进行了反射率检测和对10.6um波段CO2激光的激光功率损耗检测，损耗为10%左右。
　　Al2O3膜层具有反常色散效应、耐高温抗腐蚀能力强，在抗电子溅射方面较为突出，从而实现有效地对铜电极进行保护，延长了电极的使用寿命，提高了激光器出光稳定性。

目录

声明

1 绪论

1.1 射频板条CO2激光器的应用

1.2 射频板条CO2激光器国内外发展

1.3 课题来源和意义

2.射频板条电极特性

2.1 板条电极光波导特性

2.2 Al2O3膜层反常色散特性

2.3 Al2O3膜层材料结构

2.4 本章小结

3.板条电极的热分析

3.1 热应力与热应变

3.2 电极热应变造成的畸变位移

3.3 电极热应变的有限元分析

3.4 本章小结

4.Al2O3膜层的实验制备

4.1 实验方案和处理

4.2 磁控溅射镀膜工艺

4.3 化学气相沉积法的探索

4.4 实验结果

4.5 本章小结

5.Al2O3膜层的检测

5.1 膜层结合强度测试

5.2 平滑度和成分检测

5.3 镀膜层的反射率检测

5.4 激光功率损耗检测

5.5 本章小结

6. 展望总结

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 硕士期间参与科研活动