一种基于能斯特效应的激光功率探头及其制备方法

1.本发明涉及激光功率检测设备领域，特别涉及一种激光功率探头及其制备方法。


背景技术：

2.大功率激光应用领域广阔，特别是制造业升级的相关领域，例如在激光修复方面，激光熔覆技术凭借热输出能量大、热变形小、光斑直径小、可准确定位、修复效率高、操作方便、无污染等优点被广泛应用。激光切割中，经聚焦的高功率密度激光束可使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，实现工件切割。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。于是，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，大功率激光监控与探测的技术需求随之而来。
3.现阶段的热电式激光探测器通常是使用两种热电材料，根据塞贝克效应产生的温差热动势来测量激光功率的。这种传统的激光探测器存在价格高昂，能量内耗较大等问题，以及灵活性不够高和使用寿命不够长等风险。两种不同热电材料的连接将产生大量的接触电极，接触电极所引入的接触电阻将极大增加热电堆内阻，从而导致能量在内部被部分耗散。除此之外，若接触电极处的机械应力、热膨胀系数等性质不匹配也将严重影响热电偶的使用寿命等问题。因此基于能斯特效应(横向热电效应，横向热电势同时垂直于自发磁化和温度梯度)，可通过外加磁场实现只用一种材料进行热电转换，从而避免接触电阻的产生和匹配问题。同时，现有热点产品大多使用普通导体和半导体作为热电材料，有一定局限性，因为电子、空穴的热电效应符号相反，二者相互补偿，降低了材料的总热电效应。此外，wiedemann-franz定律决定了电导和热导的大致比例，二者无法独立优化。而通过使用横向热电效应不区分电子和空穴的拓扑半金属材料，可使二者的效应等价并直接相加。同时，拓扑材料的能带结构所导致的贝利曲率可以产生额外的反常横向热电效应，其大小可以通过改变费米能而进行调节。拓扑半金属材料的优势在于，相邻能带之间没有壁垒，因此加热时，电子很容易在能带之间跃迁。产生大横向热电效应所需要的外加磁场理论上可以很小。


技术实现要素：

4.为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种可以减小探头体积、同时增加热电系数的基于能斯特效应的激光功率探头及其制备方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种基于能斯特效应的激光功率探头，包括氧化铝基板、光吸收层、螺旋状排布的线型的拓扑材料、条形磁铁提供的外磁场以及引线，所述氧化铝基板呈碗状结构，所述光吸收层位于外碗面顶部，所述螺旋状排布的线型拓扑材料位于内碗面表面，所述磁场与所述螺旋状排布的线型拓扑材料垂直，所述螺旋状排布的线型拓扑材料两端与所述引线连接。
7.进一步，所述光吸收层为硅热吸收层。
8.再进一步，所述螺旋状排布的线型拓扑材料为螺旋状的薄膜热电偶。
9.一种基于能斯特效应的激光功率探头的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
10.1)模拟出所用磁铁磁场并设计垂直于磁场的碗面结构；
11.2)采用颗粒大小为10μm～45μm硅粉，通过等离子体喷涂法氧化铝板上制备吸光导热硅层；
12.3)在基底铝板表面，使用螺旋状的不锈钢掩模板，采用化学气相沉积的方法制备cd3as2薄膜热电堆。
13.进一步，所述步骤1)中，氧化铝基板呈倒扣的碗状，碗内曲面各处的切线满足与外加磁场方向垂直。
14.再进一步，所述步骤1)中，需根据所用磁铁的各项数据，使用comsol软件模拟出其周边磁场，同时得到最近的垂直于该磁场的曲面。
15.所述步骤1)，利用所得到的垂直于磁场的曲面，均衡各项指标给出合适的厚度，并留一平面制备光吸收层，得到碗装结构。
16.更进一步，所述步骤2)的处理过程为：先将制备好的碗状基板拭净，并在基底铝板表面进行喷砂轰击，随后将颗粒大小为10μm～45μm硅粉，利用等离子体喷涂法制备吸光导热硅层，工作气体为ar和h2，功率39.2kw，喷涂距离120mm，送粉速率10g/min，控制喷涂时间，制备获得设定厚度范围的吸光导热硅层。
17.所述步骤2)中，等离子体喷涂法制备的吸光导热硅层为硅层，厚度为100μm～300μm。
18.所述步骤3)的处理过程为：利用cad软件设计螺线形掩膜板，其最内圈半径为10mm，最外圈半径为25mm的螺旋线，螺旋线的宽度为50μm，圈数为490。利用化学气相沉积方法制备cd3as2薄膜的方法是：在veeco d125旋转圆盘反应器中进行cd3as2的生长，生长时容器内温度为215-225℃，压强为2.7
×
10^(4)pa；使用二甲基镉(dmcd)和叔丁基砷(tbas)作为其前体。为降低吸附时的化学作用，使用n2作为其前体载气。在次环境下生长80min，得到平整的cd3as2薄膜。
19.所述步骤3)中，使用氮气切割获得螺旋形的不锈钢材质的掩模板。
20.本发明的有益效果主要表现在：
21.(1)本发明所采用的氧化铝基板呈倒扣的碗状，使得磁感线能够尽可能垂直的通过螺旋线拓扑材料，从而能斯特效应所展现的电势得到最大的利用。同时，该结构下可选用体积更小，磁场强度更大的条形磁场作为磁场源，可以减小探头体积，同时增加热电系数。此外，碗状结构可以进一步增加螺线状材料分布的面积，增加螺线状材料的总长度，增大能斯特电压。
22.(2)本发明所采用的cd3as2材料具有较大的能斯特热电品质因数，在1.5t的磁场下，室温25℃下约为0.5t，该磁场在电流永磁体中可以产生。且cd3as2材料具有超高的电子迁移率(μ≈10^4-10^6cm^2v^(-1)s^(-1))，热电性能高。
23.(3)本发明采用能斯特效应，实现了薄膜热电偶材料单一化，解决了当前多数产品使用两种热电材料进行热电转换，构造较为复杂，在磁控溅射环节工艺制备成本高昂的问题。
24.(4)本发明采用能斯特效应，实现了薄膜热电偶材料单一化，解决了连接两种不同热电材料将产生大量的接触电极，接触电极所引入的接触电阻将极大增加热电堆内阻，使
能量在内部被耗散的问题。同时也解决了原方法在接触电极处的机械应力、热膨胀系数等性质不匹配导致的热电偶的使用寿命减少的问题。
25.(5)本发明采用mocvd化学气相沉积的方法，可以在真空低的条件下沉积涂层，设备简单，同一种膜的制备可选用不同的化学反应，灵活性比较大即反应原料的成分不仅可以调节和改变，又能控制涂层的特性和成分。
附图说明
26.图1为激光探头部件的示意图。
27.图2为激光探头部件的正视剖视图以及磁场方向。
28.图3为激光探头部件的底面的仰视图。
29.图4为激光探头部件在不同激光功率下的响应时间曲线。
30.图5为激光探头部件在不同激光功率下的热电势图。
31.其中，1为光吸收层，2为氧化铝基板，3为螺旋型薄膜热电偶，4为外加磁场的磁感应线。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明作进一步描述。
33.实施例1
34.参照图1～图3，一种基于能斯特效应的激光功率探头，包括氧化铝基板2、光吸收层1、螺旋状排布的线型拓扑材料、条形磁铁提供的外磁场以及引线，所述氧化铝基板2呈碗状结构，所述光吸收层位于外碗面顶部，所述螺旋状排布的线型拓扑材料位于内碗面表面，所述磁场与所述螺旋状排布的线型拓扑材料垂直，所述螺旋状排布的线型拓扑材料两端与所述引线连接。
35.进一步，所述光吸收层为硅热吸收层。所述螺旋状拓扑材料为螺旋状薄膜热电偶3。条形磁铁提供的外磁场的磁感应线4如图1所示。
36.实施例2
37.参照图1～图5，一种基于能斯特效应的激光功率探头的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
38.1)模拟出所用磁铁磁场并设计垂直于磁场的碗面结构；
39.所述步骤1)中，氧化铝基板呈倒扣的碗状，碗内曲面各处的切线满足与外加磁场方向垂直。
40.所述步骤1)中，需根据所用磁铁的各项数据，使用comsol软件模拟出其周边磁场，同时得到最近的垂直于该磁场的曲面。
41.所述步骤1)，利用所得到的垂直于磁场的曲面，均衡各项指标给出合适的厚度，并留一平面制备光吸收层，得到碗装结构。
42.2)采用颗粒大小为10μm～45μm硅粉，通过等离子体喷涂法氧化铝板上制备吸光导热硅层；
43.所述步骤2)的处理过程为：先将制备好的碗状基板拭净，并在基底铝板表面进行喷砂轰击，随后将颗粒大小为10μm～45μm硅粉，利用等离子体喷涂法制备吸光导热硅层，工
作气体为ar和h2，功率39.2kw，喷涂距离120mm，送粉速率10g/min，控制喷涂时间，制备获得设定厚度范围的吸光导热硅层。
44.所述步骤2)中，等离子体喷涂法制备的吸光导热硅层为硅层，厚度为100μm～300μm。
45.3)在基底铝板表面，使用螺旋状的不锈钢掩模板，采用化学气相沉积的方法制备cd3as2薄膜热电堆。
46.所述步骤3)的处理过程为：利用cad软件设计螺线形掩膜板，其最内圈半径为10mm，最外圈半径为25mm的螺旋线，螺旋线的宽度为50μm，圈数为490。利用化学气相沉积方法制备cd3as2薄膜的方法是：在veeco d125旋转圆盘反应器中进行cd3as2的生长，生长时容器内温度为215-225℃，压强为2.7
×
10^(4)pa；使用二甲基镉(dmcd)和叔丁基砷(tbas)作为其前体。为降低吸附时的化学作用，使用n2作为其前体载气。在次环境下生长80min，得到平整的cd3as2薄膜。
47.所述步骤3)中，使用氮气切割获得螺旋形的不锈钢材质的掩模板。
48.本实施例中，以半径为25mm、提供磁场大小为1.5t的圆柱形条状磁铁为例。
49.将所用条状磁铁情况输入comsol软件进行模拟，计算出其表面磁场垂直的曲面，从而将磁场充分垂直通过螺旋状排布的线型的拓扑材料，以达到最大利用磁场的效果。
50.将comsol软件模拟出的曲面导出至cad软件，根据曲面形状拟合碗的厚度，并留一平面以附光吸收层，具体形状见图2。
51.根据cad所绘制的零件图，生产出产品所需的氧化铝基板。
52.首先将氧化铝基板拭净，并在内碗面表面覆盖上提前制备好的掩膜版。掩膜版由不锈钢材料制成，经n2切割后形成最内圈半径为10mm，最外圈半径为25mm的螺旋线，螺旋线的宽度为50μm，圈数为490。
53.在veeco d125旋转圆盘反应器中进行cd3as2的生长。生长时容器内温度在215-225℃，压强为2.7e4pa附近。为制作cd3as2，我们使用二甲基镉(dmcd)和叔丁基砷(tbas)作为其前体。为降低吸附时的化学作用，使用n2作为其前体载气。在次环境下生长80min，即可得到平整的cd3as2薄膜。
54.等离子喷涂通过喷嘴之间形成的直流电弧，将工作的h2和ar气体电离成为等离子体，喷出气体时会形成高温等离子焰，从而将颗粒大小为10μm～45μm的硅粉送入火焰中熔化，并告诉喷射到距离120mm的的氧化铝基板上。
55.通过调节所设激光功率，对本实施例方法制备的激光探头部件的动态性能进行研究，观察探头响应时间与热电势随激光功率变化关系。本专利结构通过计算所得碗状结构，使得磁感线能够尽可能垂直的通过螺旋线拓扑材料，从而能斯特效应所展现的电势得到最大的利用，同时，本专利选用了体积更小，磁场强度更大的条形磁场作为磁场源，可以减小探头所需的体积，同时增加热电系数。而碗状结构可以进一步增加螺线状材料分布的面积，增加螺线状材料的总长度，也增大了能斯特电压。理论上，经过进一步材料、结构方面的优化后，其灵敏度可以超越现有的传统激光探头部件。
56.本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。