【正文】 指出用脈沖激光沉積技術(shù)制備藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜在工業(yè)、科研上的重要意義，確定了論文研究的方向。與早前的紅寶石激光器相比，當(dāng)時的激光有較高的重復(fù)頻率，使薄膜制作得以實(shí)現(xiàn)[13]。而激光脈沖沉積鍍膜有獨(dú)特的物理化學(xué)性能的特點(diǎn)和優(yōu)勢，表現(xiàn)在以下方面：激光能量的高度集中，能夠沉積高質(zhì)量薄膜，適用范圍廣；脈沖激光沉積鍍膜技術(shù)系統(tǒng)簡單、易于控制；精度高、靈敏度高、響應(yīng)快、效率高、靈活性大。 1962年，布里奇與克羅斯利用紅寶石激光器，汽化與激發(fā)固體表面的原子。在國外，PLD技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注，用脈沖激光沉積技術(shù)制備薄膜得到廣泛應(yīng)用。第5章對論文進(jìn)行整體的總結(jié)。此外，藍(lán)寶石在光學(xué)性質(zhì)方面有很寬的透光范圍，還可透過微波。但實(shí)際上，所有的透明材料也都不可能是理想的，因而其輻射系數(shù)也不可能為零。下面是標(biāo)定設(shè)計(jì)系統(tǒng)的流程：CO2激光器全發(fā)射器隔離器示波器光纖傳感器聚焦透鏡 標(biāo)定系統(tǒng)流程圖 ，這是傳感器動態(tài)測量標(biāo)定設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程，高功率CO2激光器發(fā)出的光束，經(jīng)過隔離器后隔離掉一些光束，然后在全發(fā)射器發(fā)生全發(fā)射經(jīng)聚焦透鏡后，聚焦的光束傳到光纖傳感器中，最后在顯示器上顯示。蒸發(fā)沉積制成的薄膜是比較純的，適用于制備各種功能性薄膜。這種方法的主要缺點(diǎn)是，不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜，所形成薄膜在基板上的附著力較小，工藝重復(fù)性不夠好等[29]。因此，使得濺射膜層與基板的附著力大大增強(qiáng)。由于其沉積速率高，膜層針孔少，純度高，致密，形成晶體的缺陷較少等，因而，化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用范圍非常廣泛。以上介紹的薄膜制備方法都是經(jīng)常被用來制備藍(lán)寶石光纖傳感器的傳感頭薄膜的。脈沖激光沉積的原理卻是非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，它涉及高能量脈沖輻射沖擊固體靶時，激光與物質(zhì)之間的所有物理相互作用，亦包括等離子羽狀物的形成，其后已熔化的物質(zhì)通過等離子羽狀物到達(dá)已加熱的基片表面的轉(zhuǎn)移，及最后的膜生成過程。并在靶面法線方向形成大的溫度和壓力梯度。 （1）可對化學(xué)成分復(fù)雜的復(fù)合物材料進(jìn)行全等同鍍膜，易于保證鍍膜后化學(xué)計(jì)量比的穩(wěn)定。同時，激光和靶材之間的能量耦合很好，等離子羽輝方向性很強(qiáng)，因此鍍膜效率很高，同時對靶材的消耗很少。當(dāng)光纖感溫腔端部與待測熱源接觸時，由于感溫腔膜層很薄，光纖基體細(xì)小熱容量極小，所以感溫腔與熱源很快處于熱平衡狀態(tài)，若光纖感溫腔的軸向長度尺寸足夠小，則可以認(rèn)為處于平衡狀態(tài)下的感溫腔是一等腔。用脈沖激光沉積的方法制備高溫光纖傳感器的傳感頭，傳感器傳感頭鍍膜的過程是由激光器發(fā)出的光束經(jīng)聚焦透鏡后，產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用與靶材相互作用產(chǎn)生等離子體，這種等離子體，定向局域膨脹發(fā)射，形成羽輝，羽輝射到高溫基片上在襯底上沉積而形成薄膜。銥的主要性能有：(1)銥的熔點(diǎn)高，它的熔點(diǎn)達(dá)到2454℃；(2)銥的密度很高，是已知元素中密度最高的，／cm；(3)彈性模量高()，泊松系數(shù)低()，低溫塑性很差；(4)銥是最耐腐蝕的金屬，致密態(tài)銥不溶于所有無機(jī)酸，也不被其他金屬熔體浸蝕，例如熔化的鉛、鋅、鎳、鐵、金等；能耐許多熔融試劑和高溫硅酸鹽的浸蝕；(5)像其他鉑族金屬合金一樣，銥合金能牢固吸附有機(jī)物，可作催化劑材料；(6)最重要的是銥的導(dǎo)熱性好，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到147W／（m②用碳熱還原Ta2O5亦可得到金屬鉭。通過三種保護(hù)膜的比較，氧化鋯比氧化鋅和氧化鋁更適合做保護(hù)膜。 3 極高的峰值強(qiáng)度 脈沖寬度極短，所以在較低的脈沖能量下獲得極高的峰值強(qiáng)度。5 總結(jié) 本文對脈沖激光沉積技術(shù)制備藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜的工藝進(jìn)行研究。對傳感頭鍍膜的過程是先在光纖上鍍制一層金屬鉭膜以形成黑體腔，目前藍(lán)寶石光纖黑體腔鍍膜材料多選用金屬鉭，但是鉭在高溫下容易氧化，為了保護(hù)鉭膜，選擇在鉭膜基礎(chǔ)上再鍍制一層氧化鋯膜保護(hù)膜。祝愿他們身體健健康康、平平安安。脈沖激光沉積技術(shù)必將在薄膜的制備方面得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，其越來越多將用到科研與工業(yè)中。 本章小結(jié)本章具體介紹了PLD技術(shù)制備藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜的研究。目前普遍使用的是脈沖寬度為120fs，波長為800nm的飛秒激光器。氧化鋅的主要特性有：，氧化鋅的彈性常數(shù)小，氧化鋅的熔點(diǎn)相對較低為1975℃；而氧化鋅的熱穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性較好，而且沸點(diǎn)高，熱膨脹系數(shù)低，在陶瓷材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 鉭所具有的特性，使它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。在PLD制備這些材料時，對靶材的選取也就尤為重要了。由公式（42）可知，感溫腔結(jié)構(gòu)尺寸L/D大于10時，腔口有效發(fā)射率E0就非常接近1，電壓近似等于輻射能量，而且是一個穩(wěn)定的值，這可認(rèn)為黑體腔具有穩(wěn)定的熱輻射。接著介紹脈沖激光技術(shù)的原理，脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）制備傳感頭薄膜的整體過程通常分為四個階段：激光與靶材相互作用產(chǎn)生等離子體；等離子體的定向局域等溫膨脹發(fā)射；激光等離子體與基片表面的相互作用；等離子體在沉底表面成薄膜。同時，控制系統(tǒng)精確的控制，可是實(shí)現(xiàn)對薄膜生長條件的實(shí)時監(jiān)控，嚴(yán)格控制生長條件，保證了高品質(zhì)薄膜的制備。對于較大的晶核來說，它們具有一定的過飽和度，它們在薄膜表面形成孤立的島狀顆粒，這些顆粒隨后張大并且接合在一起。這些被蒸發(fā)出來的物質(zhì)反過來又繼續(xù)和激光相互作用，其溫度進(jìn)一步提高，瞬時蒸發(fā)汽化的氣化物質(zhì)與光波繼續(xù)作用，使絕大部分電離并形成區(qū)域化的高濃度等離子體。這主要是由于PLD是一種脈沖過程，其涉及了一系列的物理現(xiàn)象，都要求以納秒的速度來診斷。由于反應(yīng)氣體、反應(yīng)產(chǎn)物和基片的相互擴(kuò)散，可以得到附著力好的膜層，這對于表面鈍化、抗蝕及耐磨等表面增強(qiáng)膜是很重要的。特別是近年來采用CVD法研制出金剛石薄膜、高Tc超導(dǎo)薄膜、透明導(dǎo)電薄膜以及某些敏感功能薄膜，因而更加受到重視與發(fā)展。 (2)濺射膜與基板之間的附著性好。 上述過程都必須在空氣非常稀薄的真空環(huán)境中進(jìn)行。在高真空環(huán)境中蒸發(fā)(或升華)的原子流是直線運(yùn)動的，因此基底直接對著源，有一定距離(如8～25cm)，使蒸發(fā)的原子沉積在基底表面。另一種是以藍(lán)寶石單晶光纖為基體，在其一端濺射銥貴金屬感溫介質(zhì)薄膜，構(gòu)成體積微小的感溫黑體腔(熱傳感頭)，為防止銥金屬在高溫下?lián)]發(fā)，在腔外壁再蒸鍍一層氧化鋯保護(hù)膜。如果某一物質(zhì)能夠完全吸收任何波長的電磁輻射，則稱此物體為絕對黑體，簡稱黑體。2 藍(lán)寶石高溫光纖傳感器 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器的研究領(lǐng)域備受關(guān)注，傳統(tǒng)的傳感器制作材料一般都是選用如鉑之類的貴金屬，測量成本較高，而且一些材料的復(fù)制性和測量的重復(fù)性和再現(xiàn)性不夠好存在滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致測量誤差較大，這類傳感器的壽命也較短。第3章通過幾種鍍膜方案的比較，突出了我們所研究的脈沖激光沉積鍍膜的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，人們對高溫光纖傳感器的研究十分活躍，傳感器的型式層出不窮，其發(fā)展也日趨成熟，從較低溫度的生物過程監(jiān)視到高溫工程測量，高溫光纖傳感器具有優(yōu)良的特性，能夠在惡劣條件下測量極高的溫度，已經(jīng)獲得了較廣泛的應(yīng)用[1619]。用脈沖激光沉積鍍膜技術(shù)來制備高溫光纖傳感器的傳感頭具有良好的應(yīng)用前景，具有一定的應(yīng)用價值和重要的意義[25]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景七十年代以來光波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了輻射測溫技術(shù)的發(fā)展，同時促進(jìn)了一種新型檢測儀器的出現(xiàn)，即光纖傳感器。人們越來越多研究藍(lán)寶石高溫光纖傳感器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。接著介紹脈沖激光沉積鍍膜技術(shù)及系統(tǒng)、脈沖激光沉積技術(shù)的基本原理、以及用脈沖激光沉積鍍膜技術(shù)制備薄膜的過程，并介紹脈沖激光光源及脈沖激光沉積技術(shù)的特點(diǎn)。 光纖傳感技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的新興測試手段，其獨(dú)特的優(yōu)越性能和潛在的應(yīng)用價值已為其開辟了廣闊的應(yīng)用前景。黑體是能完全吸收入射輻射，并具有最大發(fā)射率的物體。在藍(lán)寶石光纖的測溫端制作一個人工的黑體腔作為輻射源，典型的做法是采用經(jīng)過穩(wěn)定性處理的氧化鋯，制作成一個長徑比大于10的空腔，或者直接在藍(lán)寶石光纖的表面鍍銥?zāi)?，使其可視發(fā)射率接近于1，將其感受的溫度以輻射能量的形式耦合到石英光纖，然后使用光電檢測器件將信號轉(zhuǎn)換為溫度。通?；卓刂圃谝欢ǖ臏囟认?，以形成所希望結(jié)構(gòu)的薄膜。否則，蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層受到嚴(yán)重污染，甚至形成氧化物，或者蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀，或者由于空氣分子的碰撞阻擋，難以形成均勻連續(xù)的薄膜。由于濺射原子的能量比蒸發(fā)原子能量高12個數(shù)量級，因此，高能粒子沉積在基板上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生較高的熱能，增強(qiáng)了濺射原子與基板的附著力。 由于CVD法是利用各種氣體反應(yīng)來組成薄膜，所以可任意控制薄膜組成。 (5)由于薄膜生長的溫度比膜材料的熔點(diǎn)低得多，由此可以得到純度高、結(jié)晶完全的膜層，這是有些半導(dǎo)體膜層所必須的。這些診斷一般花費(fèi)巨大，而且并非以材料科學(xué)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)室的一般實(shí)驗(yàn)過程。等離子體一旦形成，它又以新的機(jī)制吸收光能而被加熱到10℃ 以上，表現(xiàn)為一個具有致密核心的閃亮的等離子體火焰。 等離子體膨脹的開始階段，橫向截面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱向尺寸，根據(jù)等離子體膨脹速度公式可以知道，在尺寸最小的方向膨脹速度最大，因此，在等離子體膨脹時，將會以橢球形狀沿靶材的法線方向進(jìn)行。 （8）靶材的選取范圍廣：因?yàn)槊}沖激光能量很高，可以實(shí)現(xiàn)對很多靶材的蒸發(fā)并形成等離子體，因此靶材可以是半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、甚至可以使金屬材料，即通常所說的金屬靶材。最后介紹了脈沖激光技術(shù)的特點(diǎn)。 本文用脈沖激光沉積技術(shù)制備藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜。1． 感溫材料（金屬銥、錸、鉭）脈沖激光沉積技術(shù)制備高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜中，要有一整套的裝備，除了有激光器、真空室、抽氣系統(tǒng)、基片等外，靶材材料的選取也很重要。在制取各種無機(jī)酸的設(shè)備中，鉭可用來替代不銹鋼，壽命可比不銹鋼提高幾十倍。在各種具有四面體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料中，氧化鋅有著最高的壓電張量，該特性使得氧化鋅成為機(jī)械電耦合重要的材料之一。在制備高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜中，與傳統(tǒng)的激光器相比，飛秒脈沖激光器有更多的獨(dú)特優(yōu)勢，表現(xiàn)在以下方面： 1 脈沖寬度窄、功率密度高 飛秒激光具有脈沖寬度窄、功率密度高的特點(diǎn)，在與光介質(zhì)相互作用時，作用時間短，主要是激光電場效應(yīng)起作用，而強(qiáng)電場導(dǎo)致的非線性吸收、非線性折射率和自聚焦效應(yīng)等，而這種非線性光學(xué)效應(yīng)與材料的損傷有直接關(guān)系。對傳感頭的輻射特性進(jìn)行理論分析，并對藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的傳感頭探頭進(jìn)行研究，通過對靶材感溫材料與保護(hù)膜材料的比較，完成光纖鍍膜方案。 最后具體介紹了用脈沖激光沉積技術(shù)制備藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜。35 / 35。在制備傳感頭薄膜時，分別對感溫材料的金屬銥、錸和鉭與保護(hù)膜中的氧化鋯、氧化鋅和氧化鋁進(jìn)行了詳細(xì)的比較。傳感器傳感頭鍍膜的過程是由飛秒激光器發(fā)出的光束經(jīng)聚焦透鏡后，光束射到靶材上，產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用與靶材相互作用產(chǎn)生等離子體，這種等離子體定向局域膨脹發(fā)射形成羽輝，羽輝射到高溫基片上，使藍(lán)寶石高溫光纖傳感器的傳感頭在襯底上沉積而形成薄膜。 2 持續(xù)時間非常短 飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間非常短，可以短至幾飛秒，對相對較低的脈沖能量采用多級唰啾脈沖放大(CPA)技術(shù)可以獲得拍瓦(1015W)量級的峰值功率。藍(lán)寶石的主要成份為氧化鋁，在制備高溫光纖傳感器的傳感頭薄膜中，為了防止金屬膜層在高溫下?lián)]發(fā),經(jīng)常鍍制一層氧化鋁。 金屬鉭的制取有兩種常用方法：①金屬鉭粉可采用金屬熱還原（鈉熱還原）法制取。 銥屬鉑系元素，鉑系元素幾乎完全成單質(zhì)狀態(tài)存在，高度分散在各種礦石中。先在光纖上鍍制一層金屬鉭膜以形成黑體腔，目前藍(lán)寶石光纖黑體腔鍍膜材料多選用金屬鉭，鉭的熔點(diǎn)高達(dá)2997℃，但是鉭在高溫下容易氧化，為了保護(hù)鉭膜，選擇在鉭膜基礎(chǔ)上再鍍制一層氧化鋯膜保護(hù)膜，氧化鋯的熔點(diǎn)為2715℃，因?yàn)殂g和氧化鋯的熔點(diǎn)相近，能制備出高質(zhì)量的傳感頭薄膜。 藍(lán)寶石光纖黑體輻射腔的熱輻射特性是研制藍(lán)寶石高溫光纖傳感器及光纖溫控儀的關(guān)鍵，需要對其進(jìn)行仔細(xì)的理論分析。 （9）換靶裝置靈活，并且一次可裝載多個靶材，有利于實(shí)現(xiàn)多層薄及其超晶格的生長，多層波的原位沉積有利于產(chǎn)生原子級別的清潔界面。 脈沖激光沉積特點(diǎn) 因?yàn)槊}沖激光鍍膜的極端條件和物理過程，與其他鍍膜技術(shù)相比，脈沖激光沉積技術(shù)是目前最有前途的制膜技術(shù)，該技術(shù)簡單且有很多優(yōu)點(diǎn)。靶表面等離子體火焰形成后，這些等離子體繼續(xù)與激光束作用，進(jìn)一步電離，使等離子體的溫度和壓力迅速升高。其中核心的部分是激光器和真空工作室。使許多基片材料都耐受不住CVD 的高溫，因此限制了它的用途范圍。采用CVD法制備薄膜時，其生長溫度顯著低于薄膜組成物質(zhì)的熔點(diǎn)，所得膜層均勻性好，具有臺階覆蓋性能，適宜于復(fù)雜形狀的基板。此外，在濺射粒子的轟擊過程中，基板始終處于等離子區(qū)中被清洗和激活的部分，清除了附著不牢的沉積原子，凈化且活化基板表面。 真空蒸發(fā)沉積鍍膜方法有如下特點(diǎn)：設(shè)備比較簡單、操作容易，制成的薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可較準(zhǔn)