CN111076818A - 一种高温面源辐射源制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温面源辐射源制备方法，属于热辐射测量领域。本发明通过引入超快激光微加工技术，提供了一种高温面源辐射源制备方法。选择合适的材料作为面源辐射源的基板，然后利用超快激光加工的方法在基板表面形成特定的结构。在加工过程中，调节激光能量，使其大于基板材料的刻蚀阈值，通过计算机控制三维平移台扫描间距和扫描速度，整个过程激光器参数和平移台参数都精确可控，工艺可重复性高。超快激光加工的基板表面呈现一种大小相间的颗粒结构，这种颗粒结构具有较强的陷光效果，可以有效提升光吸收，在此基础上涂覆耐高温涂料，所制备的面源辐射源在高温下具有高的光谱发射率，在450℃时其平均光谱发射率大于0.95。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温面源辐射源制备方法，属于热辐射测量领域。
背景技术
红外辐射源作为红外仪器校准的核心设备，广泛用于医疗、建筑、环境监测等各类涉及红外热像仪或红外光谱类仪器的关键技术指标和性能评估。辐射源分为面源辐射源和黑体辐射源，黑体辐射源受限于目前的制造水平，口径一般不大于60mm，面源辐射源口径大，一般为100mm以上。由于辐射温度计存在源尺寸效应，源尺寸效应是由于光学系统设计不完善造成的，辐射源温度相同，尺寸不相同，由于源尺寸效应的存在，辐射温度计输出的温度不同。这种现象在廉价的700℃以下辐射温度计中表现的格外突出，对于源尺寸效应大的辐射温度计，必须采用大口径辐射源进行校准，即面源辐射源。面源辐射源在使用过程中，为了尽可能的减小测量误差，要求面源辐射源具有较宽的温度适应范围(-50～500℃)，较高的光谱发射率(大于0.95)。
目前常用的面源辐射源制备方法是首先对面源辐射源基板进行粗糙化处理，然后在其表面喷涂高发射率涂料。目前广泛使用的涂料811-21光谱发射率可以达到0.96，但是这种涂料只能用在低温，最高不超过200℃。采用其它耐高温的涂料，光谱发射率又难以满足要求。故而在现有涂料和工艺条件下，面源辐射源在高温下光谱发射率不够高(小于0.95)，难以满足计量校准领域的应用要求，因此，研制一种高温下具有高光谱发射率的面源辐射源具有迫切的需求。
对于面源辐射源，在理想情况下，其光谱发射率与吸收率数值相当。为了增强面源辐射源的光谱发射率，常见的方法是增强基板表面的粗糙度来提高光谱吸收率，从而实现光谱发射率的提高。常规的面源辐射源在对基板进行粗糙化处理时，一般采用喷砂工艺，即在压缩空气的引导下，高能量的金刚砂束流喷射到基板上，金刚砂与基板摩擦、切削使得基板表面出现凹坑，从而使表面粗糙化。但是喷砂工艺结合耐高温涂料制备的面源辐射源，在高温下，其光谱发射率达不到要求。
发明内容
本发明的目的是了为了解决现有加工方式加工出的面源辐射源无法满足发射率需求的问题，提供一种高温面源辐射源制备方法。
本发明通过引入超快激光微加工技术，提供了一种高温面源辐射源制备方法。选择合适的材料作为面源辐射源的基板，然后利用超快激光加工的方法在基板表面形成特定的结构。在加工过程中，调节激光能量，使其大于基板材料的刻蚀阈值，通过计算机控制三维平移台扫描间距和扫描速度，整个过程激光器参数和平移台参数都精确可控，工艺可重复性高。超快激光加工的基板表面呈现一种大小相间的颗粒结构，这种颗粒结构具有较强的陷光效果，可以有效提升光吸收，在此基础上涂覆耐高温涂料，所制备的面源辐射源在高温下具有高的光谱发射率，在450℃时其平均光谱发射率大于0.95。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种高温面源辐射源制备方法，具体步骤为：
采用超快激光微加工的方法，对清洁后的基板进行表面粗糙化；再涂覆耐高温涂料，得到高温面源辐射源；
所述基板材料为铜或铝，基板厚度大于10mm。
所述超快激光为飞秒激光或皮秒激光。
采用飞秒激光时，激光器脉宽小于150fs。
当选择脉宽小于150fs的飞秒激光器时，当基板材料为铝材料时，激光器能量密度需大于1.1kJ/m2。
当选择脉宽小于150fs的飞秒激光器时，当基板材料为铜材料时，激光器能量密度需大于1.9kJ/m2。
耐高温涂料承受温度范围为-50℃～500℃。
耐高温涂料厚度小于20nm。
有益效果
本发明通引入超快激光微加工技术，通过超快激光在基板表面制备相对均匀的微结构，使基板表面粗糙化。传统喷砂工艺处理基板，使基板表面出现凹坑。超快激光加工使基板表面呈现了一种大小相间的颗粒结构，当光入射到这种大小相间的颗粒结构上时，光传播路线不规则，经过多次反射，大部分被吸收。这种大小相间的颗粒结构比凹坑具有更好的陷光效果，所以与喷砂工艺相比，飞秒激光加工制备的面源辐射源具有更好的光吸收，进而具有更高的光谱发射率。飞秒激光加工基板，再涂覆耐高温涂料，这种将先进的光学微纳加工方法和热学领域的耐高温涂覆涂料结合，实现了高温下高光谱发射率面源辐射源的制备，解决了传统面源辐射源高温下光谱发射率低的问题。与传统喷砂工艺制备的面源黑体辐射源相比，采用超快激光微加工获得面源黑体辐射源，在高温下其光谱发射率曲线更加平坦，而且在8μm到18μm的范围内，其平均光谱发射率大于0.95。
附图说明
图1为采用喷砂工艺加工的铝基板材料表面扫描电镜图；
图2为采用飞秒激光工艺加工的铝基板材料表面扫描电镜图；
图3为采用喷砂工艺和飞秒激光工艺制备的面源辐射源光谱发射率对比图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种高温面源辐射源制备方法，该方法的实施例中包括以下步骤：
步骤1：选择铝材料作为面源辐射源基板，铝基板材料的厚度为10mm，将衬底表面清洗干净。
步骤2：采用飞秒激光微加工技术在基板表面制备出均匀的微结构。
步骤3：在微结构基板表面涂覆一层10nm厚的耐高温涂料。
上述步骤2中飞秒激光器参数为脉宽50fs，重复频率1kHz，最大平均功率3W。实际工作中，激光器输出功率为100mW，光斑直径为200μm，此条件下，激光能量密度为3.18kJ/m2。在制备微结构时，通过程序控制三维平移台的移动实现微纳结构的精确加工。首先，三维平移台控制铝材料基板沿水平方向扫描。待水平方向扫描完毕后，快门关闭，然后通过三维平移台控制铝材料基板沿纵向移动一段距离(此距离等于扫描间距)，快门打开，重复水平方向的扫描，直至完成整个基板材料的扫描。
作为对比，选择厚度为10mm的铝材料作为面源辐射源基板，采用喷砂工艺也制备了面源辐射源。图1是采用喷砂工艺处理的基板表面，其表面呈现凹坑结构。图2是采用飞秒激光处理的基板表面，其表面呈现一种大小相间的颗粒结构。在相同条件下，测试了两组面源黑体辐射源的光谱发射率，其结果如图3所示，图中虚线表示喷砂工艺制备的面源辐射源光谱发射率，其平均光谱发射率明显低于0.95，实线表示飞秒激光制备的面源辐射源光谱发射率，其平均光谱发射率高于0.95。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：采用超快激光微加工的方法，对清洁后的基板进行表面粗糙化；再涂覆耐高温涂料，得到高温面源辐射源。
2.如权利要求1所述一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：所述基板材料为铜或铝，基板厚度大于10mm。
3.如权利要求1所述一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：所述超快激光为飞秒激光或皮秒激光。
4.如权利要求3所述一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：采用飞秒激光时，激光器脉宽小于150fs。
5.如权利要求4所述一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：当选择脉宽小于150fs的飞秒激光器时，当基板材料为铝材料时，激光器能量密度需大于1.1kJ/m2。
6.如权利要求4所述一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：当选择脉宽小于150fs的飞秒激光器时，当基板材料为铜材料时，激光器能量密度需大于1.9kJ/m2。
7.如权利要求1所述一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：耐高温涂料承受温度范围为-50℃～500℃。
8.如权利要求1所述一种高温面源辐射源制备方法，其特征在于：耐高温涂料厚度小于20nm。
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