CN113188670B - 一种大功率激光探头及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型大功率激光探头部件，涉及激光功率检测领域。该新型大功率激光探头对现有的圆盘式薄膜热电堆型激光探头进行优化改进，结构呈现圆柱状，包括接收激光照射的吸热层、传导热量的铝或铜金属衬底、位于侧面纵向排布经过氧化掺杂的薄膜热电偶层以及引线。吸热层接受大功率激光照射，在吸收点产生热量，热量纵向传输至铝衬底背面；沿着传输方向，吸收层与衬底底层有温度差，纵向的热电偶薄膜层产生热电势；引线将薄膜热电偶层与电压表相连，测量电动势大小进而计算得到激光功率。和传统基于热电堆的激光探头相比，本发明设计的探头有更高的热电信号，更快的响应时间，生产成本低，能有效投入到工业应用监测激光功率。
Description
技术领域
本发明涉及激光功率检测设备领域，特别涉及一种大功率激光探头及制造方法。
背景技术
大功率激光有着广阔的应用前景，特别是高端制造相关领域，伴随而来的，是对大功率激光监控与探测的技术需求。在3D打印技术方面，激光的应用主要是基于选择性激光烧结。控制激光对热敏金属材料进行扫描加热，使其“升温-熔化-冷却”得到离散的切片。在此过程中，若遇到熔点非常高的金属粉末时，就需要大功率激光发射器提供足够的能量辐射。但在长时间加工下，激光功率会产生衰减，导致残次品的出现。因此激光功率是否达到需求以及激光功率的稳定性就显得尤为重要，大功率激光的检测与监控不可或缺。在激光修复方面，激光熔覆技术凭借热输出能量大操作方便、无污染等优点被广泛应用，其中重要的原因之一是激光束功率的精确控制，同样存在对激光功率的监控与探测。在空间激光武器方面，大功率激光武器快速发展，以及针对激光武器发射过程中激光功率的调整及稳定输出的需要，研制与使用过程中也都需要激光功率的监控与探测。
现阶段国内的大功率激光探测器背面的热偶传感器主要是焊接导线制作的，导致探测器的热电传感信号反应时间较长，热偶之间的信号容易相互干扰。薄膜热电偶是提高传感灵敏度的有效手段，但对大功率激光的测量，热电堆往往会产生过高的温度，很容易造成仪器损坏，所以其对热电堆的材料要求较高，需要有合适的热电系数的材料作热电堆。当前平面状激光功率探头有两种主要类型——以导线、金属薄膜作为热电堆的功率探头。对于导线作为热电堆的功率探头，虽然导线其电阻小，所制成的热电堆热电系数大，但其制作步骤相当繁琐，材料要求金属脚要逐个点焊，耗时耗力，且整个结构呈悬空状态，不利于装置的固定，且反应时间会相对较长。若采用金属薄膜热电堆，薄膜的厚度就需要更好的控制。若太薄，金属薄膜电阻增大，热电系数减小，灵敏度随之下降。但太厚，金属薄膜又容易脱落，装置的使用时长将会大打折扣。
发明内容
针对现有技术存在的问题和缺陷，本发明一种大功率激光功率探头及制作方法。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
一种新型大功率激光探头，包括接收激光照射的碳化硅吸热层、绝缘处理后的铝或者铜的金属衬底、位于侧面纵向排布的薄膜热电偶层以及引线，所述金属衬底呈圆柱状，所述碳化硅吸热层位于所述金属衬底的顶面，所述的薄膜热电偶层以多组热电偶串联分布于所述金属衬底的侧面，所述金属衬底侧面的冷热端有附着环，所述的薄膜热电偶层的接脚处与所述引线连接。
进一步，所述的金属圆柱衬底侧表面有一层电绝缘性阳极氧化铝。
再进一步，所述薄膜热电偶层是呈Z字形的周期性重叠的图形。
所述引线以高温无机胶连接技术连接至接脚处，并以高温导电银胶涂覆。
所述金属衬底侧面的冷热端的附着环的宽度为3-5mm，附着环间距为20-100mm。
一种新型大功率激光探头的制造方法，所述方法包括以下步骤：
(1)采用热喷涂方法，在金属圆柱衬底的顶圆面制备碳化硅吸热层；
(2)在金属圆柱衬底侧面的热偶薄膜接脚预定位置处增加衬底粗糙度，制备热电偶附着环；
(3)采用旋转磁控共溅射方法在步骤(2)制备得到的具有碳化硅吸热层的铝金属圆柱衬底侧表面在不同掩模板下分别共溅射Ni-Cr 和氧化铝，Ni-Si和氧化铝形成薄膜热电偶。
进一步，所述步骤(1)中，在表面有厚度为0.1mm氧化铝的铝金属圆柱衬底的顶圆面制备碳化硅吸热层。
所述金属圆柱衬底进行抛光打磨，粗糙度为0.01-0.5um，呈圆柱式结构，高度为20-100mm，顶面半径为20-50mm。
所述金属材料基板侧面的冷热端有附着环，冷热端附着环的宽度为3-5mm，附着环间距为20-100mm，冷热端附着环距离随探头适用的激光功率调整。
所述步骤(1)中，用于接收激光照射的碳化硅吸热层采用热喷涂法制成，碳化硅粉直径为45um，吸热层厚度为100-500um，此参数可根据探头适用的激光功率调整。
通过采用上述的技术方案，本发明可通过碳化硅材料吸热层接受大功率激光照射，在吸收点产生热量，热量在铝或者铜衬底中将沿纵向进行热传导；位于侧面得热电偶薄膜层热端和冷端产生温度差，进而产生热电势；引线将薄膜热电偶层与电压表相连，电压表测量电动势大小进而计算得到激光功率大小。
本发明所述的基于薄膜热电偶的大功率激光探头部件和现有技术相比具有以下优点：
1、相较于传统金属薄膜热电偶金属薄膜位于金属圆柱衬底圆表面，本发明改变热电堆结构，将金属薄膜改至金属圆柱衬底侧表面。这种热电堆结构相对于平面结构来说增加了冷热端的温差，且纵向导热面积大，增加了导热速度，有助于提高检测精度和速度。同时，圆柱型结构热电偶冷热端距离在纵向可以有较大的调整空间，且不影响探头的面积。
2、本发明针对薄膜金属的接脚处容易脱落的问题，通过引入附着环增加接脚处基底的粗糙度(粗糙度1-5um之间)从而增加附着力解决该问题。
3、本发明通过接脚处的附着环的粗糙结构，增强热偶正负极金属之间的互扩散(两层金属之间形成犬牙交错的表面，有效互扩散面积增大)。
4、采用的磁控溅射技术沉积速度较快，薄膜与基片结合好，工艺可重复性高。在磁控溅射热电堆负极金属膜的过程中，共溅射氧化铝，提高正负极材料的功函数差，可以在不增加薄膜厚度的情况下增加热电系数。
附图说明
图1为新型大功率激光探头部件结构示意图及热传导分布图。
图2为新型探头不同激光功率下的响应时间图。
图3为新型探头不同激光功率下的热电势图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合产品附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。此处描述的实施例仅为本发明一部分实施例，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
实施例1
参照图1，一种新型大功率激光探头，包括接收激光照射的碳化硅吸热层1、绝缘处理后的铝或者铜的金属衬底2、位于侧面纵向排布的薄膜热电偶层3以及引线，所述金属衬底2呈圆柱状，所述碳化硅吸热层1位于所述金属衬底2的顶面，所述的薄膜热电偶层3以多组热电偶串联分布于所述金属衬底2的侧面，所述金属衬底2侧面的冷热端有附着环4，所述的薄膜热电偶层3的接脚处与所述引线5连接。
进一步，所述的金属衬底2侧表面有一层电绝缘性阳极氧化铝。
再进一步，所述薄膜热电偶层3是呈Z字形的周期性重叠的图形。
所述引线以高温无机胶连接技术连接至接脚5处，并以高温导电银胶涂覆。
所述金属衬底2侧面的冷热端的附着环4的宽度为3-5mm，附着环间距为20-100mm。
实施例2
参照图1～图3，一种新型大功率激光探头的制造方法，所述新型大功率激光探头，包括接收激光照射的碳化硅吸热层1、绝缘处理后的铝或者铜的金属衬底2、位于侧面纵向排布的薄膜热电偶层3以及引线，所述金属衬底2呈圆柱状，所述碳化硅吸热层1位于所述金属衬底2的顶面，所述的薄膜热电偶层3以多组热电偶串联分布于所述金属衬底2的侧面，所述金属衬底2侧面的冷热端有附着环4，所述的薄膜热电偶层3的接脚处与所述引线5连接。
所述方法包括以下步骤：
(1)采用热喷涂方法，在金属圆柱衬底的顶圆面制备碳化硅吸热层；
(2)在金属圆柱衬底侧面的金属接脚预定位置处增加衬底粗糙度，制备热电偶附着环；
(3)采用旋转磁控共溅射方法在步骤(2)制备得到的具有碳化硅吸热层的铝金属圆柱衬底侧表面在不同掩模板下分别共溅射Ni-Cr 和氧化铝，Ni-Si和氧化铝形成薄膜热电偶。
所述步骤(1)中，采用热喷涂方法，在表面有厚度约为0.1mm 氧化铝的铝金属圆柱衬底的顶圆面制备碳化硅吸热层。
具体本例中，热喷涂技术是利用特殊热源将喷涂材料加热至熔化或半融化状态，并通过自身或外在动力，以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。涂层的厚度是可以控制的，对基材加热温度较低，工件变形小，晶相组织及性能变化也相对较小。适合于各种基体材料的零部件、大致可以在所有的固体材料表面上制备各种防护性涂层与功能性涂层。选择的碳化硅吸热层采用热喷涂法制成，碳化硅粉体直径为45um，碳化硅吸收层喷涂较均匀，平整度效果较好。
所述步骤(2)中，在铝圆柱衬底侧面的金属接脚预定位置处增加衬底粗糙度，制备热电偶附着环。
比较金属薄膜热电堆与金属丝热电堆的热电系数，金属薄膜之所以热电系数会比金属丝低，一部分原因是因为各接脚处薄膜金属互扩散不如金属丝。金属丝是点焊，金属充分互溶。薄膜厚度本来就薄，薄膜互扩散的空间有限，而且高导热的金属基底材料由于熔点低无法高温退火。因此，本发明通过增加接脚处基底的粗糙度让正负极金属膜更充分地接触来增加热电势，同时可以增加金属膜的附着力。
具体本例中选择在正负极材料的接脚处预制附着环增加粗糙度，规定粗糙度在1-5um之间，对于非接脚处的区域仍然保持平整即规范粗糙度0.01-0.05um之间，以避免影响非接脚处金属的电阻。有如下三种处理方法：
①用10％质量分数的稀盐酸进行长时间定点腐蚀。将小液滴滴在基底接脚处，使其发生化学反应，进行化学腐蚀。
②用1mm见方的800目粗糙度的小砧头持续打磨接脚处，
③使用碳化硅细砂喷砂轰击金属接脚处，保证粗糙度获得粗糙表面。
所述步骤(3)中，采用旋转磁控共溅射方法在步骤(2)制备得到的具有吸热层的铝金属圆柱衬底侧表面在不同掩模板下分别共溅射 Ni-Cr和氧化铝，Ni-Si和氧化铝形成薄膜热电偶。
本实施例中磁控共溅射法主要是采用JPG-500型磁控溅射系统上完成的。超高真空直流磁控共溅射镀膜技术主要通过在Ni-Cr和Ni-Si、氧化铝两靶之间倾斜成一定角度，改变两靶的溅射功率来获得不同的溅射速率。溅射前本底真空度为3.5×E-4Pa，辉光气体为纯度99.99％的氩气，流量40sccm，工作气压1.5Pa，靶基距125mm。Ni-Cr和Ni-Si 靶和Al2O3靶分别由DC源(功率50-100W)和RF源(功率100-180W) 控制。沉积过程中，RF功率保持恒定，通过改变直流功率来控制Ni-Cr-Al2O3复合膜中Ni-Cr的含量。同理制得Ni-Si-Al2O3复合膜。
通过采用可调的大功率激光加热方法，对不同材料和制备参数条件下制成的薄膜热电偶动态性能参数进行研究，观察探头热电信号和响应时间随激光功率的变化关系。通过观察图2、图3，可以发现新型探头选择了圆柱体z向为导热方向，相比传统探头有更大的导热面积，从而导致更大的导热速率，所以响应时间比传统探头更短，更灵敏。同时新型探头在冷热端有更远的距离而拥有更大的温差，同时氧化铝掺杂的正负极热电薄膜拥有更高的热电系数，所以最终有更高的热电信号。目前，经过实验测试产品的响应速率效果较好，热电系数最佳能达到0.04mV/℃。因此，由本发明技术制备的薄膜热电堆，具有较快的响应速度与较高的热电势，性能优良。
Claims (5)
1.一种大功率激光探头的制造方法，其特征在于，所述大功率激光探头包括接收激光照射的碳化硅吸热层、绝缘处理后的铝或者铜的金属衬底、位于侧面纵向排布的薄膜热电偶层以及引线，其特征在于：所述金属衬底呈圆柱状，所述碳化硅吸热层位于所述金属衬底的顶面，所述的薄膜热电偶层以多组热电偶串联分布于所述金属衬底的侧面，所述金属衬底侧面的冷热端有附着环，所述的薄膜热电偶层的接脚处与所述引线连接；所述方法包括以下步骤：
(1)采用热喷涂方法，在金属圆柱衬底的顶圆面制备碳化硅吸热层；
(2)在金属圆柱衬底侧面的热偶薄膜接脚预定位置处增加衬底粗糙度，制备热电偶附着环；
(3)采用旋转磁控共溅射方法在步骤(2)制备得到的具有碳化硅吸热层的铝金属圆柱衬底侧表面在不同掩模板下分别共溅射Ni-Cr和氧化铝，Ni-Si和氧化铝形成薄膜热电偶。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在表面有厚度为0.1mm氧化铝的铝金属圆柱衬底的顶圆面制备碳化硅吸热层。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金属圆柱衬底进行抛光打磨，粗糙度为0.01-0.5um，呈圆柱式结构，高度为20-100mm，顶面半径为20-50mm。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金属衬底侧面的冷热端有附着环，冷热端附着环的宽度为3-5mm，附着环间距为20-100mm，冷热端附着环距离随探头适用的激光功率调整。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用于接收激光照射的碳化硅吸热层采用热喷涂法制成，碳化硅粉直径为45um，吸热层厚度为100-500um，此参数可根据探头适用的激光功率调整。
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