CN106342255B - 高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜及其制备方法 - Google Patents
高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜及其制备方法Info
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Abstract
本发明涉及高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜及其制备方法，属于高能激光领域。其特征在于采用常压烧结的碳化硅材料来制备水冷式碳化硅反射镜。包括微通道的制备、超薄底板和基板的制备与连接、镜面的高致密低应力表面改性、低吸收高反射膜层制备。采用常压烧结工艺制备碳化硅底板和基板，通过数控加工或超声、激光方法制备水冷微通道结构，通过活性金属焊接的方法实现底板和基板的连接，通过离子束、物理气相沉积、化学气相沉积等工艺制备镜面的表面改性层和反射膜层。本发明提供的碳化硅反射镜具有热膨胀系数低、热导率高、比刚度高、热量耗散快、反射镜面受振动和水压影响小、变形量小的优点，利于提高激光系统的光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜及其制备方法，属于高能激光领域。
背景技术
高能激光武器具有光速攻击目标、响应快、效费比高等优点，是一种重要的“杀手锏”------定向能武器，是未来战争中夺取制空权、制天权和制信息权的重要武器。
高能激光器是激光武器的核心部件。在所有的高能激光器中，氧碘化学激光器(以下简称COIL)具有波长短、转换效率高、大功率输出等优点，是各发达国家争相重点发展的高能激光器。在高能COIL领域，COIL腔内反射镜的热变形所引起的出光过程中光束质量退化是制约高能激光发展的关键技术瓶颈。光学元件的热变形，主要是由于元件对激光能量的吸收形成热量沉积，导致基体材料的力学效应引起的。而吸收主要来自基片表面及高反射薄膜内的杂质和缺陷。
高能激光反射镜，主要包括冷却镜和非冷却镜两种。对于运转时间较短、功率相对较小的激光器，可采用非冷却单晶硅(Si)反射镜。而对于时间运转较长、功率较高的高能激光器，未来通过高效热交换技术及时将镜面沉积的热量移走，从而减轻甚至消除因热量累积所致的镜面形变，则必须采用冷却式反射镜。
对于冷却式反射镜，要求反射底板尽可能薄，换热器效率要高，从而使热量被尽快移走。在国外，伴随着高能激光的发展，美国的UnitedTechnologies公司联合许多部门为美国的高能CO2激光提供了大量的水冷光学元件。随着短波长激光的发展，以美国空军武器实验室开展了短波长激光水冷镜的研究，发展成熟，但未见具体技术报道。
据报道俄罗斯在几年前就已解决了强激光反射镜热致形变问题，其所研制的多层微通道结构水冷铜(Cu)镜，在其MW级气动CO2激光器中得到成功应用。
在国内，以水冷铜镜最为成熟，主要应用于连续运行的CO2激光器中。但由于铜镜质地较软，难于获得好的表面光洁度和高的面形精度；且由于铜的机械强度差以及结构设计等方面的问题，易受水压和振动影响而导致镜面形变。因此，无法应用于高能COIL激光器中。对于单晶硅水冷反射镜来说，同样由于Si反射底板的机械强度差等原因，导致镜面易受振动、水压等因素影响，变形量大，难以满足使用要求。
与单晶Si相比，碳化硅(SiC)作为一种新型的光学材料，具有更低的热膨胀系数、更高的热导率和杨氏模量等优异的热学、力学性能，是制备高能激光反射镜的一种优异基体材料，高效SiC水冷镜有望满足高能激光长时间运转的使用要求。
截止目前，未见到采用常压烧结碳化硅材料制备高能激光系统用水冷式碳化硅反射镜的相关专利和文献报道。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜。
包括下述部分：
超薄底板(1)和基板(2)，所述超薄底板和基板上具有水冷微通道(3)；
活性金属层(4)连接超薄底板和基板，
表面改性层(5)与基板相连接，表面改性层上部具有低吸收高反射膜层(6)。
连接超薄底板和基板的活性金属层是由含有元素Ti的箔状、膏状活性金属焊料制成。
表面改性层材质可以是Si、SiC等。
低吸收高反射膜层材质可以是Ag、Al等，并以SiO2、Al2O3等作为保护膜层。
水冷微通道结构可采用数控加工工艺对通过干法成型制得的素坯进行轻量化结构加工成形，然后再通过脱粘、烧结和加工来制备；也可采用超声、激光等方法对经过高温烧结致密化的陶瓷坯体直接进行精加工来制备。
超薄底板和基板可采用常压烧结碳化硅材料。
本发明的另一目的是提供高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜及其制备方法，包括微通道的结构设计和制备、超薄底板和基板的制备、超薄底板和基板的连接、镜面的高致密低应力表面改性、超光滑光学加工、低吸收高反射膜层制备等。包括以下步骤：
1.微通道的结构设计和制备，反射镜的水冷微通道结构可通过两种途径来成形，一方面，可采用数控加工工艺对通过干法成型制得的素坯进行轻量化结构加工成形，然后再通过脱粘、烧结和加工来制备；另一方面，可采用超声、激光等方法对经过高温烧结致密化的陶瓷坯体直接进行精加工来制备。
2.超薄底板和基板的制备：采用常压烧结碳化硅材料制备，依次通过粉体处理、成型、轻量化结构成形、脱粘、高温烧结和机械加工等工艺来实现，具体工艺见发明专利200810077871.8、200810077875.6和200810077877.5。
3.超薄底板和基板的连接：通过含有元素Ti的箔状、膏状活性金属焊料在真空条件下、700～1200℃范围内保温反应10～30min来实现，具体工艺见发明专利200810077869.0。
4.镜面的高致密低应力表面改性和低吸收高反射膜层制备：通过离子束、物理气相沉积、化学气相沉积等工艺来制备。
本发明的显著特征在于采用常压烧结的碳化硅材料和工艺方法制备水冷式碳化硅反射镜，所制备碳化硅反射镜的热膨胀系数低、热导率高、比刚度高，可以制备出具有轻薄底板和微通道结构的冷却式反射镜，换热效率高，热量耗散快，反射镜面受振动、水压等因素影响小，变形量小，利于提高激光系统的光束质量。
附图说明
图1：高能激光系统用水冷式碳化硅反射镜示意图。图中，1为超薄底板，2为基板，3为水冷微通道，4为活性金属层，5为表面改性层，6为低吸收高反射膜层。
具体实施方式
略
Claims (10)
1.高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜，其特征在于，包括下述部分：
超薄底板(1)和基板(2)，所述超薄底板和基板由常压烧结碳化硅材料制成且具有水冷微通道(3)；活性金属层(4)连接超薄底板和基板，所述活性金属层由含Ti的合金制成；
表面改性层(5)与基板相连接，表面改性层上部具有低吸收高反射膜层(6)。
2.按权利要求1所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜，其特征在于，连接超薄底板和基板的活性金属层是由含有元素Ti的箔状、膏状活性金属焊料制成。
3.按权利要求1所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜，其特征在于，表面改性层材质是Si或SiC。
4.按权利要求1所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜，其特征在于，低吸收高反射膜层材质是Ag或Al，并以SiO2或Al2O3作为保护膜层。
5.制备如权利要求1所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜的方法，包括下述步骤：
(1)水冷微通道制备；
(2)超薄底板和基板的制备；
(3)超薄底板和基板的连接；
(4)镜面的高致密低应力表面改性和低吸收高反射膜层制备。
6.按权利要求5所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜的制备方法，其特征在于，水冷微通道采用数控加工工艺对通过干法成型制得的素坯进行轻量化结构加工成形，然后再通过脱粘、烧结和加工来制备。
7.按权利要求5所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜的制备方法，其特征在于，水冷微通道采用超声、激光方法对经过高温烧结致密化的陶瓷坯体直接进行精加工来制备。
8.按权利要求5所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜的制备方法，其特征在于，超薄底板和基板采用常压烧结碳化硅材料，依次通过粉体处理、成型、轻量化结构成形、脱粘、高温烧结和机械加工来制备得到。
9.按权利要求5所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜的制备方法，其特征在于，超薄底板和基板的连接可通过含有元素Ti的箔状、膏状活性金属焊料在真空条件下、700～1200℃范围内保温反应10～30min来实现。
10.按权利要求5所述的高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜的制备方法，其特征在于，低吸收高反射膜层的制备可通过离子束、物理气相沉积、化学气相沉积工艺来实现。
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| CN108149197A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-12 | 武汉大学 | 一种激光发生器反射板制作方法 |
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