（物理电子学专业论文）半导体光放大器的耦合及封装.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 半导体光放大器( s o a ) 既可以用于光传输系统中的前置放大、线路放大和助推 放大，又可以用于构成光开关、波长转换器等器件，同时还易于大规模集成，因此对 未来的全光高速通信网必将产生深远的影响。然而，与单模光纤耦合时，对准容差较 小，封装时光纤微小的位移都会极大地影响耦合效率和器件的性能。 本文首先论述了s o a 封装的重要意义，接着从耦合封装中的两个关键技术入手， 即光纤表面金属化和激光焊接时构件变形两个方面，总体上阐述了本论文的研究内 容。 在论述光纤表面金属化方面，简述了光纤表面金属化的必要性，并进行了化学镀 镍实验研究，找到了理想的化学配方和实验方案，获得了满意的实验效果。 在研究激光焊接产生的构件变形方面，首先为有限元分析提供了焊接温度场和应 力场的数学模型，列举了i n v a r 合金、k o v a r 合金的物理参数，和左右焊点激光束能 量对比的三种情况，以及提供了两种焊接紧固件结构( 即n 型和u 型) 的几何模型。 接着，利用了a n s y s 软件，模拟计算了紧固件在很多种情况下的焊后位移。对 于i n v a r 和k o v a r 合金，分析了焊接能量不平衡对位移产生的影响，发现选择i n v a r 合金作为紧固件材料比选择k o v a r 材料带来的焊后位移要小得多。而且对比分析了q 型和u 型紧固件，结果发现i n v a r 材料的u 型紧固件在焊后位移最小。 在实验当中利用单束y a g 激光焊接，通过k o v a r 材料的q 型紧固件来固定两根 平端面单模光纤进行耦合，发现紧固件在焊后的变形趋势与模拟计算的结果非常吻 合，并且模拟计算的变形结果和实验结果相差比较小。 关键词：s o a化学镀 有限元a n s y s焊接变形 焊后位移温度场应力场 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r s ( s o a s ) c a nn o to n l yb eu s e da st h ep r e a m p i f i e r , i n l i n ea m p l i f i e ra n dp o s t a m p l i f i e ri nt h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，b u ta l s ob e u s e dt of o r ms o m eo t h e r o p t i c a ld e v i c e s ，s u c h a s o p t i c a ls w i t c h e s ，w a v e l e n g t h c o n v e r v e r t e r s a n ds o ai se a s yt oi n t e g r a t ew i t ho t h e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s s os o a w i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef u t u r ea l l - o p t i c a lh i g hs p e e dn e t w o r k s h o w e v e r ，o n e o f t h ed i f f i c u l tp r o b l e m si st h a ts o a sa l i g n m e n tt os i n g l e - m o d e - f i h e r ( s m f ) e v e nt h e m i n o rs h i f to ft h es m fm a yr e d u c et h e c o u p l e e f f i c i e n c y a n dd e t e r i o r a t et h e c o m p o n e n t sc a p a b i l i t yo b v i o u s l y i nt h et h e s i st h es i g n i f i c a n c eo fs o a p a c k a g i n gi sc l a r i f i e da tf i r s t t h et w ok e y t e c h n o l o g i e ss u c ha sp i g t a i lf i b e rm e t a l i z a t i o na n dt h ep o s t - w e l d s h i f l ( p w s ) i nl a s e r w e l d i n g a r er e v i e w e d t h e n e c e s s i t y o f p i g t a i l f i b e rm e t a l i z a t i o ni s d e p i c t e d t h e e l e c t r o l e s s n i c k e l - p l a t i n ge x p e r i m e n t s a r em a d e ，a n dt h eo p t i m a lc h e m i c a ls o l u t i o nf o r p l a t i n gi sf o u n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft e m p e r a t u r ea n ds t e s sf i e l df o rl a s e rw e l d i n gi n o r d e rt ou s et h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da r eg i v e n p h y s i c a lp a r a m e t e r so fk o v a r a n d i n v a ra l l o ya r el i s t e d t h r e ed i f f e r e n te n e r g yc a t e g o r i e sf o rl a s e rw e l d i n g ，a n dt w o d i f f e r e n tw e l d i n gw o r k p i es t r u c t u r e sa r ei l l u s t r a t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fp w sa r ep e r f o r m e db yu s i n ga n s y ss o f t w a r e t h e e f f e c t so ft h el a s e rw e l d i n ge n e r g yd i f f e r e n c eb e t w e e nt w os i d e sa tw o r k p i e c ew i t h b o t hi n v a ra n dk o v a ra l l o y a r ea n a l y z e d i t ss h o w nt h a tt h ei n v a ra l l o ya st h e w e l d i n gw o r k p i e c e m a t e r i a li s b e t t e rs e l e c t i o nt h a nk o v a ra l l o y f o ri t ss m a l l d e f o r m a t i o no rs h i f ta f t e rw e l d i n g a n dt h ee f f e c t so ft h ew o r k p i e c es h a p eo nt h e r e l i a b i l i t yo fp a c k a g ea r ec o m p a r e d b e t w e e nt h es h a p e q a n d “u ”t h es i m u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h es h a p e u w i t hi n v a re x h i b i t ss m a l l e rp w s i i 华中科技大学硕士学位论文 i nt h ee x p e r i m e n t k o v a r q s h a p ew o r k p i e c ei su s e dt o a l i g n et w ob u t ts m f s t h r o u g hs i n g l e b e a my a g l a s e rw e l d i n g a sa r e s u l t ，t h e m i c r o g r a p ho fp o s t w e l d w o r k p i e c ea g r e e sq u i t e w e l lw i t ht h es h i f tt r e n do fs i m u l a t i o n a n db e t w e e nt h er e s u l t s o fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h ed i f f e r e n c eo fp w s i ss m a l l k e y w o r d s ：s o ae l e e t o l e s sp l a t i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n s y s w e l d i n g d i s t o r t i o n p o s t - w e l d s h i f t ( e w s ) t e m p e r a t u r e f i e l ds t r e s sf i e l d i l l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 1 绪论 人类已进入信息爆炸的年代，这一爆炸的“导火索”来自指数增长的i n t e r n e t 业 务，随着i n t e r n e t p r o t o c o l ( i p ) 的出现与其它协议( 如a t m 、s t m 、d w d m 等) 的兼容， 其服务范围已从初期单纯的e m a i l 发展成商务和多媒体服务。i n t e r n e t 业务的特点之 一是用户占信息带宽的时间长( 数十分钟到1 小时以上) ，如采用现有的网络结构，必然 会造成业务拥挤，带宽“枯竭” t l 。而且光传输技术的应用目前大多数还是点对点 的，因此在于线的汇接点( 即节点) 上必然出现业务的阻塞f 2 j 光纤被认为有“取之不尽”的带宽开发潜力。随着信息技术的发展，先后开发出 中心波长为8 5 0 、1 3 1 0 和1 5 5 0 r i m 三个窗口。近年来，美国l u c e n t 又在开发中心波 长为1 6 2 5 n m 的第四个窗口。同时他们正在通过超纯光纤生产工艺，削去中心波长为 1 4 0 0 n m 的o h 吸收带，并使之成为第五个窗口，制成将第二和第三个窗1 ：3 连成一片， 带宽为1 2 8 0 1 6 5 0 n m 的全波( a l l w a v e ) 光纤，形成一条超宽的信息高速公路。光纤传 输容量以每1 2 个月翻一翻的速度在增长，2 1 世纪的头十年内t b s 量级的干线传输系 统将进入实际应用。例如，日本计划在2 0 1 0 年在干线上传输速率达5 t b s 。对通信事 业正蓬勃发展的中国也不例外。很显然，承担信息交换的网络节点，如采用现在的电 子交换无疑将成为整个信息网络的瓶颈。突破这一瓶颈的根本途径是依靠光子学i l j 。 未来信息网络技术的发展必然是以全光网络为核心，融合包括有线、无线等多种 媒体和不同业务规模的多种信息网络。通过i p 、s t m 、a t m 、d w d m 等多种协议， 使整个网络成为一个灵活的整体。由于光纤有巨大的带宽和待开发的潜力，因此很自 然就确定了全光网在整个信息网的核心地位。 器件是系统和网络的基础，考虑到本世纪家庭用户将占用很大的信息带宽，是将 f t t h ( 光纤到户) 一步到位还是分步实旋是一个重大的战略问题，其中制约因素是 光电子器件的性能和价格”。而作为全光通信系统中的关键器件的s o a ，制约着其性 能和价格的重要因素之一就是器件的耦合封装。 多年来，半导体激光器或者半导体光放大器与光纤，特别是单模光纤的耦合一直 是一个重要的研究内容。为了提高耦合效率，通常有两种方法1 3 | ：1 ) 在耦合系统中插 华中科技大学硕士学位论文 入如柱面透镜、小球透镜、自聚焦透镜及其组合等方法来最大限度地降低反射损耗， 消除像差影响，改善光束非圆对称性，从而实现高效率耦合；2 ) 在光纤端面制作一些 如锥半球、微半球、高折射率锥形半球镜等以增加光纤数值孔径。由于实验系统的需 要，考虑到微透镜等细小元件制作的困难，所以一般采用拉锥、烧球、磨锥等光纤端 面处理方法。 从技术的角度看，s o a 只有阿尔卡特等少数几个公司出售，但或多或少都存在 一些问题，这其中最重要的闻题之一仍是芯片与单模光纤的耦合及封装l4 。一般结构 的半导体激光器、半导体光放大器的远场是椭圆光斑，发散角较大，很难与较大的圆 对称光纤模场耦合，因而当s o b 与光纤耦合时会出现较大的耦合损耗。即使对光纤做 微透镜处理，增加光纤的数值孔径，耦合效率也只是在3 d b 左右，而且因为热效应、 光反馈等等因素会危害器件的可靠性1 5 l 。因此，耦合和封装的问题解决不好将直接影 响到光电子器件的s o a ( 或l d ) 与单模光纤的耦合效率和性能。 另外，从产品化的角度看，现在市场上商用的半导体激光器已有很多，但都价格 昂贵。而其中，封装占有整个光电子器件7 0 以上的成本，为了降低成本，提高性价 比，必须开发新型封装技术| 6 i 。 但是直到近些年来封装这个非常重要的领域引起人们足够的重视 i 。在弄清楚光 电子器件封装的发展历史之前，先看看电子封装领域的发展情况。随着芯片引脚数目 的增多，引脚相互之间的影响变得更加复杂，人们必须考虑电子噪声、热特性、机械 特性，电磁兼容等问题，逐渐使得电子封装发展成为现在一个独立的产业。而对于光 电子封装，最初的半导体激光器在工作时温度非常高，在不影响耦合效率的前提下， 采用了热沉技术。今天的激光器可以在较低的温度下工作。但是新的问题出现了，例 如波导耦合到单模光纤还需要考虑亚微米级容差的限制。这就对光电子器件的封装的 提出了非常严格的要求 8 - 1 2 1 。 在s o a 芯片和单模光纤的耦合封装过程中采用激光焊接，来固定表面金属化的光 纤。焊接熔池的快速固化和材料收缩导致了焊接变形，使得光纤随着构件变形而发生 位移，同时焊后残余应力的释放也会使德器件在使用过程中发生光纤位置失配，极大 地影响着s o a 和单模光纤的耦合效率，影响着器件封装1 3 d 嗣。虽然焊接变形和光纤焊 后位移不能完全消除，但是可以使用有限元的分析方法，对焊接构件变形进行理论上 的研究，帮助提高焊接工艺和封装技术。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： 1 2 有限元方法 有限元方法( 即f e m ) ，其基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代初期，但是直到 1 9 6 0 年，美国的c l o u g h r w 在一篇论文中首次使用“有限元”这个名词。在2 0 世 纪6 0 年代末7 0 年代出，有限元方法在理论上已基本成熟，并开始陆续出现有限元分 析软件。 有限元方法的基本思想是将连续的结构离散成有限单元，并在每一个单元中设定 有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体：同时选定场函 数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函 数的分布规律；进而利用力学中的某些原理去建立用以求解节点未知量的有限元方 程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度的问题。一经 求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元以上以至整个集合体上的 场函数o ”】。因而有限元方法非常适合于形状不规则或者结构复杂的研究对象。 有限元分析的流程图驯如图1 - 1 ： a n s y s 的主要技术特点1 1 9 l ： ( 1 ) 实现多场耦合功能的软件 ( 2 1 能实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型f e m 软件。 ( 3 ) 具有流场优化功能的c f d 软件。 ( 4 ) 融前后处理与分析求解于一身。 ( 5 ) 强大的非线性分析功能。 ( 6 ) 快速求解器。 ( 7 1 最早采用计算机技术的f e m 软件 ( 8 ) 从个人机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上全部数据文件兼容。 ( 9 ) 智能网格划分。 ( 1 0 ) 支持从p c 、w s 到巨型机的所有硬件平台。 ( 1 1 ) 从个人机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上统一用户界面。 ( 1 2 ) 可与大多数的c a d 软件集成并有接口。 ( 1 3 ) 多层次多框架的产品系列。 ( 1 4 ) 良好的用户开发环境。 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 1 有限元分析的流程图 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3s o a 在通信中的应用 半导体光放大器自9 0 年代以来，由于以应变量子阱为代表的能带工程的运用， s o a 的性能得到了全面和大幅度的提高，特别是增益的偏振灵敏度、噪声指数已明 显降低，已达到和e d f a 相比拟的水平，饱和输出功率、小信号增益有显著提高。它 的一些独特优点，如结构紧凑、便于与其它半导体光电子器件集成、直接电驱动产生 信息增益和适合于大量生产因而价格相对便宜等，一直是驱使它不断发展的动力。有 理由相信，它在光子学领域，特别是在全光网络中将发挥巨大作用i l l 。 尽管e d f a 具有较强的实用性，可用于海底光缆或陆上长距离光通信系统的放大 器，但由于s o a 的突出特点，人们仍在抓紧研究。近年来，s o a 的非线性应用的研 究获得重大发展，它在波长转换器【2 0 i 、光开关川、光交叉连接1 2 2 i 等方面已显示出巨 大的应用前景。 f 1 ) 由于可通过改变i n g a a s p 材料的组分而能在1 3 0 0 1 6 0 0 n m 的一个特宽的波 长范围内获得信号增益，从而可能并联数个不同增益谱中心波长的s o a ，获得宽且 平坦的增益谱。这是d w d m 传输系统所需的。 ( 2 ) 利用s o a 的交叉增益调制( x g m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) 效应可实现波长转换，而波长转换器在全光网络中是一种非常关键的器件，用它可以 实现波长动态路由。用波长转换器可以构成o x c ，还可以用它作波长开关来重构网 络，增强全光网的灵活性和生存能力；用波长转换器可以实现波长再利用，从而在网 络的不同节点上使用同一波长，以减少参与复用的波长数量，等等。 f 3 1 利用半导体光放大器可能产生的非线性效应，又可在全光网中开辟一个新的 天地。例如，利用四波混频效应所产生的共轭波可实现中点谱反转。即光信号在s o a 前所经历光纤正色散造成脉冲展宽，在光信号s o a 内转移至它的共轭波上，在此后 下一半光纤线路的传输中信号受到压缩。利用这种色散补偿，英国b t 已实现 4 0 g b i t s 、1 8 0 6 k m 的现场传输试验。也可在无线接入经外调制进入光纤的系统中， 利用同样的相位共轭原理，克服双边带信号在含有色散的光纤系统传输中所产生的周 期性衰落。 f 4 1 利用在s o a 中的非线性效应，可以用来实现光纤传输系统中的 2 r ( r e a m p l i f i c a t i o na n dr e s h a p i n g ) 和3 r ( r e a m p l i f i c a t i o n ，r e s h a p i n g a n dr e t i m i n g ) 再生。 f 5 ) 利用s o a 可构成大容量的光开关阵列。而这种光子集成的开关阵列具有内部 华中科技大学硕士学位论文 增益，可补偿开关损耗，在全光网中有重要应用价值。还有s o a 的其他一些应用实 例，不一一列举。p h i l l i p s 甚至还用s o a 进行了光纤传输系统中的线路放大、前置放 大、功率放大试验。然而，可以作一个保守的设想，s o a 将会首先在波长转换、光 开关等方面得到很大的应用；利用它在定条件下的非线性特性对传输光脉冲整形、 色散补偿等将会有大的突破。至于在光纤传输中像光纤放大器那样得到应用，还有待 于它的饱和输出功率、信号增益的进一步提高。因此可以说，s o a 在光子学中的地 位将能类比晶体管在电子学或微电子学中地位。 随着光子集成( p i c ) 和光电子集成( o e i c ) 等技术的发展，s o a 性能进一步 提高，s o a 必将展现更为广阔的的应用前景和孕育出更大的商机。因此大力开展对 s o a 的研究( 包括耦合封装的研究) 是非常紧迫和必要的。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文针对光纤表面金属化和激光焊接导致的焊接构件变形这两个关键技术，对 半导体光放大器的耦合封装进行了研究。 第一章讨论了本论文研究工作的目的和意义，对有限元法进行了综述，还介绍了 s o a 在光通信中的应用。 第二章对光纤表面金属化进行了实验研究，这是封装技术中固定光纤的前提和关 键技术，采用的是低成本的化学镀方法。 第三章涉及到激光焊接及焊接过程中相应的温度场、应力场的一些基本理论，为 后面研究焊接变形提供理论依据。 第四章对激光焊接产生的构件变形进行了研究。利用有限元方法，通过a n s y s 软件的模拟计算，分别从焊接激光束能量不平衡、焊接紧固件材料不同和焊接紧固件 结构不同的角度，对焊接变形进行了对比研究。从降低不对称变形差异的角度，得出 一种优化的设计。 第五章从焊接温度场和应力场分布的角度分析了焊接构件变形的热学和力学原 因。 第六章对焊接过程中的构件变形进行了实验研究，从实验测得的耦合效率反推激 光束能量不平衡焊后的光纤位移，并与理论计算相比较，从而得出焊后的光纤位移的 范围。 第七章对本论文中所做的主要工作进行了总结，并对今后的工作提出了要求。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = z = = = = = ；= = = = = 一： 2 光纤表面金属化 2 1 光纤表面金属化概述 用激光焊接将光纤与l d 或者s o a 芯片耦合，首先就得将光纤表面金属化。在光 纤表面沉积易于焊接的金属层后，才能将光纤钎焊进金属套管，最后才能将套管与金 属紧固件焊接在一起。若光纤表面金属沉积层不均匀必将引起光纤纤芯轴线偏心，若 光纤表面金属沉积层与光纤表面结合强度不高必将影响焊接牢固程度，因此光纤表面 金属涂覆层是否均匀牢固是非常关键的1 2 3 1 ，这就对光纤头金属化工艺提出了严格的要 求。 目前，普遍的做法是把光纤头表面金属化( 比如镀金) ，然后用激光焊接技术把 金属化的光纤头固定封装在器件当中，以保证器件的高可靠性。而其他的封装固定方 法会出现很多问题，如用沾接剂将光纤沾接固定，沾接剂容易老化，使得光纤头在 s o a 或者l d 出射光场中的位置发生偏移，难以保证可靠性。 光纤表面金属化，可以采用化学镀和喷涂等方式。 化学镀是指没有外电流通过，利用还原剂将溶液中的金属粒子化学还原再催化活 性的物体表面，使之形成金属镀层。对于化学镀，光纤金属化的第一步就是在光纤的 表面上镀上一层厚度均匀的金属n i ，然后在金属n i 基上再镀上一层a u 。金虽然价格 昂贵，但由于其优越的物理性能在电子工业中广泛应用 2 3 - 2 6 l 。 一些外国公司( 如美国的ct e c h n o l o g i e s 公司) 通过化学镀的方法使光纤头金属 化，但是金属化工艺对这些公司来说属于技术保密范畴。因此，我们在实验室必须开 发自己的技术研究。 国内也有公司使用化学镀的方法( 如深圳飞通、华工正源、武汉楚星) 将化学镀 应用于光纤头金属化的生产上。 另外据报道，国外有公司使用喷涂或蒸发技术将各种金属沉积在光纤上的方法， 并且这种技术已经通过了b e l l e o r e 规范的技术可靠性测试。但在金属的沉积过程中， 金属涂敷层难以控制。而且工艺复杂，成本过高。本文暂不考虑使用这种方法。 工业化的发展必然要求产品降低生产成本，提高竞争力，而化学镀的成本较低， 工艺相对简单，而且能够满足产品的各项性能要求，所以化学镀方法更有市场前途。 我国已经研制出性能优良的光纤金属化耦合封装制作方法，具有工艺稳定、成品 率高、气密性好、可靠性高、适于批量生产等优点，可广泛应用于光纤通信系统等领 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 ： 域。其研发厂家分别有m ac o l l l 、e p j t a x x 、m a s t e c h o k i 、武汉电信器件公司、电 子部4 4 研究所等。 化学镀具有以下特点： ( 1 ) 镀层非常均匀。 ( 2 ) 可以在非金属如：塑料，玻璃，陶瓷及半导体表面上进行。 ( 3 ) 工艺设备简单。 ( 4 ) 化学镀的结合力一般优于电镀，镀层有光亮或半光亮的外观、晶粒细、致密， 孔隙率低，甚至还有特殊的物理化学性质。 ( 5 ) 用次磷酸盐或硼化物作还原剂的渡浴得到的镀层是n i - p 或n i b 合金，控制 磷量可以得到致密无孔和良好的耐蚀性的镀层。 ( 6 ) 化学镀镍层硬度高，有良好的耐磨耐蚀性。 ( 7 ) 根据镀层中含磷量，可控制为磁性或非磁性。 ( 8 ) 钎焊性能好。 在非金属表面镀上n i 金属层是非常关键的一步，目前在金属基上镀金工艺技术 非常成熟，但镀金需要以氰化物为络合剂，硼氢化物为还原剂，其镀速和镀液的分散 性、稳定性都可得到保证1 2 8 - 3 3 1 ，但是氰化物水溶液( 剧毒) ，考虑到实验的安全性， 本论文只研究镀镍。 2 2 光纤表面金属化实验 2 2 1 实验概述 在正式镀镍以前，必须对镀件进行镀前处理。镀前处理要求制件进入镀槽前表面 无氧化皮、无毛刺、水膜连续。 要使镀后表面光亮，还应该彻底清洗镀件表面的酸性挂灰，这里使用碱性去油试 剂使之除去。 活化时间不宜过长。活化后冷水冲洗尽量冲净夹带的酸液，减少对镀液酸度的影 响。水浴预热要求水质良好，不得含有灰尘、微粒，温度应该尽可能于镀液温度一致。 预热时间应该足够，使镀件进入镀液后，镀液温度不至于降的过快，但是时间过长易 使活化表面不稳定。 实验中需要用到的主要化学药品有：氟化氢、氟化氨、盐酸、氯化锡、氯化钯、 碳酸钠、磷酸钠、o p 乳化剂、硫酸钠、磷酸氢钠、乙酸钠、a ，b 剂等。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = 一 实验中要用到的主要器具有：恒温水浴缸，烧杯、烧瓶、玻璃棒、量筒等。 ( 1 ) 化学配方 去油：取n a 2 c 0 3 药品2 9 ，取n a 3 p 0 4 药品2 9 ( 实验室为晶体n a 3 p 0 4 1 2 h 2 0 ) ， 取“o p ”乳化剂0 2 9 ，配制l o o m l 溶液。 粗化：h f ( 体积浓度为4 8 ) 的溶液6 m l ，n h 4 f 晶体2 4 9 ，配制1 0 0 m l 溶液。 敏化：取s n c l 2 2 h 2 0l g ，浓盐酸( 体积浓度3 7 ) 4 m l ，配制l o o m l 溶液。 活化：取p d c l 4 晶体o 0 2 2g ，h c i ( 体积浓度3 7 ) ，o 2 2m l ，配成l o o m l 溶液。 镀镍液：采用武汉材料保护所的高耐蚀耐磨化学镀液( h n 6 2 5 ) ，按其开缸量配 制溶液。 关于镀镍液h n 6 2 5 的使用方法及特点： 1 ) 使用方法如下 开缸量：h n 6 2 5 a ： 6 0m l ，l( 俗称a 剂) h n 6 2 5 b ：1 5 0m l l( 俗称b 剂) 去离子水： 7 9 0 m l l 温 度： 8 5 9 1 p h 值： 4 2 5 0 总镍量： 7 5g ，l 沉积速度： 1 0 1 41 1i n 槽负载： 0 1 3 0 d m 2 几 过滤搅拌：连续过滤( 1 0 次，h ) 添加量：当沉积镀层1 0u m ，d m 2 时，添加h n 6 2 5 a6 m l l ，h n 6 2 5 c 1 5 m l l 或提高1g l 镍含量时，添加h n 6 2 5 a 8 6 m l l ，h n 6 2 5 c 2 1 5 m l ，l 。 2 1 特点如下 镀层为非晶态合金，磷含量l l 左右。 镀层具有优异的耐蚀性及耐磨性。 镀液稳定性高，使用寿命长。 沉积速度快，镀层应力小，可获得超厚镀层( 2 5 0 um ) 。 在施镀温度下可连续补充添加，生产效率高。 镀层硬度h v5 4 0 6 0 0 ，热处理后可达到h v9 0 0 1 0 0 0 0 。 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；z = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 f 2 ) 光纤表面镀镍工艺过程 1 ) 去除光纤表面涂覆层。用剃须刀片干净刮去单模光纤的涂覆层大约3 5 衄， 露出外面的包层。包层也是纯度很高的石英组成的。这就制作了一个光纤头。 2 ) 去油。将光纤头放在2 0 ( 2 去油试剂中浸泡2 0 分钟。去油操作可以把光纤头 表面沾上的油渍，或是其它的脂类的杂质去掉，是镀前初步清除杂质的方法。主要是 为了清除光纤头表面的酸性挂灰。 3 ) 超声清洗。将装有去离子水( 2 0 4 c ) 的烧杯放在超声清洗器上，再将光线头 放入去离子水中清洗3 分钟。将光纤头上的去油试剂基本清洗干净。 4 ) 粗化。将超声清洗后的光纤头放在粗化液( 5 4 3 ) 中2 0 分钟。由于未经粗 化的光纤头比较光滑，粗糙度不够，不利于药品和镀金属的吸附，所以需要进行粗化 操作。把经过以上处理的光纤头粗化溶液中，时间控制在2 0 分钟。如果粗化的时间 过长，就会令光纤头的粗糙度过大，并使得光纤头的材料变脆1 4 。 5 ) 超声清洗。将光纤头放在去离子水( 2 0 ) 再次超声清洗3 分钟，基本去除 上一步带来的酸性试剂。 6 ) 敏化。将光纤头放在敏化液( 3 2 ) 浸泡8 分钟。经过敏化处理后，有利于 光纤表面对活化剂的吸附1 4 ”。 7 ) 去离子水清洗。光纤头在去离子水( 2 0 ) 中清洗2 分钟。将敏化好的光纤 头放到蒸馏水里静止放置，超声清洗一分钟，然后用手晃动光纤头一分钟。静止时可 以把表面的一些敏化剂除去。 8 ) 活化。光纤头在活化液( 5 5 ) 中浸泡6 分钟。活化操作即是在基材( 石英) 和镀层之间引进一个过渡层，保证镀层和光纤基体间有良好的结合强度。但是如果活 化时间过长，吸附的活化剂过多，就会适得其反。因此选择适宜的活化液和操作条件， 使光纤头表面生成一层致密和相对稳定的膜层是关键。 9 ) 去离子水清洗。2 0 * 0 去离子水中光纤头静止浸泡1 分钟，晃动清洗0 5 分钟。 1 0 ) 镀镍。将光纤头浸泡在镀镍液( 9 1 4 ) 3 0 分钟左右。镀镍时需要经常测试 并调整镀液的p h 值。根据配方的缓冲剂含量以及正常镀速，应该1 5 2 0 分钟调节一 次，使得镀液的p h 值稳定在标准值。按照镀液的承载量和镀速计算主盐及还原剂的 消耗量，及时进行补充。承载量不宜过高，过高可引起镀层不均匀。应对镀液加以搅 拌，改善成分均匀性，以保证镀层均匀。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = 一= 2 2 2 实验现象及分析 在以下的实验过程中发现了如下问题，经过多次反复实验，最终使问题得以解决。 实验操作过程如下： 步骤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 操作 去油 超声清洗 粗化 超声清洗 敏化 清洗 活化 清洗 镀镍 温度 2 l 室温 5 4 3 室温 3 2 室温 5 4 3 室温 9 1 4 但是这次实验中在光纤头上镀上的镍金属，用手可以将镍轻轻地抹掉。而且镀上 的镍层不是很均匀，厚度不够，光泽不好，亮度不够，镀层不连续，光纤的顶头发现 许多的毛刺。这有可能是除了镀镍溶液外其它的溶液质量上出了问题，因为只有镀镍 溶液是现配的。于是用排除法来进行排除问题。 再把所有的化学镀液都进行重新配备( 除了活化液外，因活化液是在试验中采取 了较好的避光处理，是稳定的) ，再按第一次的镀镍操作进行实验。结果发现这次操 作后的光纤头和上一次的镀镍操作结果没有什么大的分别，而且只能镀上零星的镍 层，用手可以轻轻的抹掉，镀层的质量也不好。于是就有可能是活化溶液有问题或是 整个方案的不可行。 接着将活化液中浸泡的时间从6 分钟增加到8 分钟， 结果旌镀的光纤头有一部 分镀上了镍金属，只是镀层的质量不够好，镀层的厚度不均匀，镍金属的光泽较暗， 习 m n m n n n n m m 拍 嘶 毗 嘶 m m 毗 时 丙 陆 目 2 3 2 3 8 2 6 l 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = 一 表面上存在气孔，但是比上一次的施镀已经有所进步了。 再次反复实验，发现将活化的时间改为7 分钟后，施镀的光纤头镀上了一层比较 均匀的镍金属，而且镀层表面光泽比较光亮，虽然也存在少量气孔和毛刺，但并不影 响镀层质量，而且后来还要镍镀层镀上一层金。当光纤头镀镍完毕后，使用镊子在镀 层表面上轻轻刮动时，也难以刮掉镀层，说明镀层与光纤表面结合非常牢固，施镀的 光纤头基本上说是成功的。 通过以上面的实验操作，我们可以看到前两次镀镍失败主要是活化溶液的存放时 间过久，溶液中所含的化学药品的浓度变小。因此在活化液使用时间过久的情况下， 需要将活化操作的时间适当的延长，但活化时间不能太长，方能让施镀的光纤头达到 预期的活化效果。所以一般的说实验进行之前，我们都应该先行测试所要用到的化学 溶液的质量是否符合实验的要求。 2 2 3 实验结果及注意事项 如图2 1 ，显微镜下观察的图就是实验中得出的经过金属化( 镀镍) 的光纤头， 色泽鲜明，只是存在少量气孑l 与毛刺。 从图中可以看到光纤除了顶部外，镍金属镀层是很好的，气孔很少，色泽光亮， 所以质量上是较好的。至于光纤头存在着少量的毛刺，这种现象存在的原因是多样的， 可能是去掉光纤包层的时候，剔除的不够干净；或者是进行化学镀时，当从一个实验 容器换到到另一个容器对光纤顶部带进了杂质，或者刮到了容器壁使得光纤头部化学 试剂附着不匀，以至发生毛刺。如果在试验中严格按照规范操作，小心谨慎，别让光 纤碰到容器壁，这种现象就可以得到减少或避免，提高样品的合格率。 以上操作是在具有严格的化学溶液浓度的情况下进行的，而且对时间长短以及温 度高低的控制要求也比较严格。例如，如果省去粗化后的水洗，那么氢氟酸酸液成分 就会混入化学镀液中产生镀层异常析出等不良影响f 2 s l 。化学镀镍可以作为焊锡阻挡 层，化学镀金作为最后防氧化层和易焊层m l 。又例如在步骤i 的去油操作中，如果在 2 l 摄氏度的情况下，时间应该控制在2 0 分钟左右但是也可以适当的有所延长。步骤 3 的粗化操作中，时间的要求也很严格，如果时间太长，虽然光纤头表面的粗糙度能 得到增大，但是长时间在氢氟酸中浸泡会增大光纤头的脆性，影响其实用性。步骤5 的敏化操作则是活化前很必要的一步，3 2 1 2 下的8 分钟浸泡可以达到最佳效果。而活 化操作则是能令光纤头和将要镀的镍金属间有一个过渡层，令光纤头和镍金属层有较 1 2 华中科技大学硕士学位论文 好的结合强度，如果5 4 c 情况下活化操作的时间过长，则是令过渡层的厚度增大， 降低光纤头和镀层的结合强度；如果活化操作的时间过短，则是膜层容易氧化，不利 于光纤头和镍金属镀层的结合。步骤9 的镀液操作是很关键的，镀镍溶液应该控制在 9 1 4 c ，经过以上处理过的光纤头放置于镀镍溶液里，时间控制在2 0 3 0 分钟。镀 镍时需要经常测试并调整镀液的p h 值。根据配方的缓冲剂含量以及正常镀速，应该 1 5 2 0 分钟调节一次，使得镀液的p h 值稳定在标准值。按照镀液的承载量和镀速计 算主盐及还原剂的消耗量，及时进行补充。承载量不宜过高，过高可引起镀层不均匀。 应对镀液加以搅拌，改善成分均匀性，以保证镀层均匀。对于镀层的表现性质，可以 直接观察镀层是否完整光洁，有无漏镀、“花斑”、气泡、针孔、卷边等明显缺陷。光 纤金属化的光纤头镀镍层除了应该有好的镀层表面形象，还要有好的金属致密度、优 良的机械性能。利用以上的应用过的实验的化学配方、准确的实验具体操作，就可以 取得符合要求的镍金属镀层，即是有足够的高强度的、厚度均匀的光纤镍金属包层。 这对于提高光纤头与激光器之间的焊接质量有很大的帮助，能有效的提高激光器到光 纤的耦合效率。 图2 - 1 显微镜下的实验样品 华中科技大学硕士学位论文 2 3 小结 在光纤表面金属化的几种工艺方法中，我们采用成本较低的化学镀方法，经过多 次实验，得到理想的光纤镀镍层，从而找到了一种较好的化学镀镍化学配方和工艺方 法。为进一步的光纤表面镀金奠定了基础，由于成熟的镀金工艺需要氰化物水溶液( 剧 毒) ，本章中暂不考虑化学镀金实验。 华中科技大学硕士学位论文 3 激光焊接温度场、应力场基本理论与有限元方法 3 1 激光焊接温度场与应力场基本理论 3 1 1 焊接温度场 在激光焊接过程中，焊接熔池发生各种冶金反应，各部分的金属分别融化、凝固、 再结晶。温度场不仅直接引起热应变，还引起金属状态的改变和显微组织的相变，而 且间接决定焊接残余应力分布。因此，应该首先确定焊接温度场。 在激光束焊接时，聚焦激光直射焊接区，并( 部分地) 被大约0 5l l 1 1 厚的表层 所吸收，焊件表面融化，形成气化毛细管，作为实际焊接热源1 3 钔。 ( 1 ) 激光焊接热源 激光焊接属于高斯分布热源。考虑到焊接过程中热量会有损失( 包括向周围环境 的耗散损失、飞溅损失等) 有效焊接热量1 3 4 1q = 仉百 ( 3 1 ) 其中百为热源总能量，仉为热效率，取0 8 0 0 9 5 。1 3 4 1 ( 2 ) 热传导微分方程 局部供给的热量应根据局部体积比热容c p j m m 3 k ，使局部的温度升高，对 均匀各向同性的连续介质，且其材料特征值与湿度无关时，在能量守恒原理的基础上， 可得到热传导方程1 3 4 i ： 一o t ：三( 窑+ 窑+ 宴) + 上盟 ( 3 - 2 ) a t c p 、a ia y ia z | c pa t 其中c j g x 为质量比热容，a j m m s k 为热导率，p g m m 3 为质量 密度，q j m m 3 为单位体积逸出或消耗的热能。 用有限元方法，将场离散成简单形状的单元，由式( 3 2 ) 开始，得到一系列未 知节点温度t 的一阶非线性常微分方程式，热传导的矩阵方程式为3 卅； 【c r r ) + 【k ，】 n = q ) ( 3 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中， c r 是热容矩阵， 弓 是导热率矩阵， 丁) 和 r ) 分别是节点温度和它们 时间导数的列矢量， q ) 为热源节点的列矢量， q 】和 巧】( 非线性) 与温度有 关。 从3 - 3 可以得到在时间t 时各点的温度值，从而得出焊接时构件上温度场的分布。 ( 3 ) 母材材料的的物理性质特征值。 本论文中，将基本方程式线性化，即认为式中材料的特征值兄，p ，c 均为常数( 取 温度范围内的平均值) 。 3 1 2 焊接应力场 在焊接温度场的基础上分析焊接残余应力和变形的主要特征，是一般采用的方 法。 ( 1 ) 当a 是线性热膨胀系数，在三维坐标上温度变化r 足够小时，线性总体积 热应变1 3 4 l 6 7 = e a t ( 3 4 ) 当温度变化r 较大时，线性热膨胀系数口应该与温度相关，若简化成线性关 系，可取温度范围内的平均值。 体积热应变对应焊接构件的体积变形。 ( 2 ) 弹性热应力场 在弹性解的基础上，三向热应变抑制岛引起的弹性应力为1 3 4 l o ： (35)r-aate = 一 、j 。) ， l 一2 y 五为弹性模量，v 为泊松比。 ( 3 ) 对于半无限板上作用的点热源热应力场p 4 1 径向残余应力q = 一鼍焉等( 1 一e ，4 “) ( 3 _ 6 ) 切向残余应力= 鼍等【等( 1 - - e - r 2 4 a t ) 一2 e ”v “】 ( 3 7 ) 其中口：三为热扩散系数，h 为板厚，表示离热源中心的距离a 从式( 3 5 ) 、 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 ( 3 - 6 ) 和( 3 7 ) 可得出对应时间t 焊接构