高功率CO-,2-激光器光學諧振腔的改進及數(shù)值分析.pdf

1、為了獲得高功率和高質(zhì)量的激光光束，促進強激光在材料表面熱處理領(lǐng)域的應(yīng)用，本論文重點研究高功率橫流CO2氣體激光器的兩種腔型：高斯反射率平凹腔和加孔徑光闌七折疊穩(wěn)定腔。 由于激光光束質(zhì)量直接影響激光材料表面熱處理效果，有必要采用新技術(shù)來提高激光光束質(zhì)量。本文首先分析激光功率密度分布對激光熱處理的影響，然后根據(jù)高功率橫流CO2激光功率密度分布的測試結(jié)果來說明改進高功率橫流CO2激光器諧振腔的必要性和途徑。 標量衍射理論在含衍

2、射受限界面的光學系統(tǒng)和諧振腔的研究中起重要作用，有必要對標量衍射理論和推廣后的柯林斯公式進行回顧。本文分別給出用標量衍射理論和柯林斯公式模擬相干光學系統(tǒng)空間光場分布的實例，并對激光光場的空間追蹤方法進行總結(jié)，以便將該方法應(yīng)用于諧振腔橫模場的研究中。 為了模擬激光諧振腔的橫模場，本文按以下步驟對諧振腔的分析方法進行了深入研究。首先，根據(jù)衍射積分理論，討論傳統(tǒng)的Fox-Li迭代法；其次，利用激光光場空間追蹤方法、角譜理論和快速傅里葉

3、變換對Fox-Li迭代法進行改良，并給出帶孔徑光闌七折疊腔橫模場的計算實例；然后，根據(jù)柯林斯公式，按受限衍射界面對諧振腔進行分割并將總光場數(shù)值離散為鏡面微元上的光場后，引入自再現(xiàn)原理得到本征模的有限和矩陣方程；最后，利用求解全部本征值和本征向量的QR方法對共焦腔和帶孔徑光闌對稱腔的橫模場進行數(shù)值分析。研究表明，利用本征模的有限和矩陣方程和求解全部本征值和本征向量的QR方法可以快速準確地計算激光諧振腔的橫模場及其損耗。 利用有限和

4、矩陣方法對高斯反射率平凹腔、帶孔徑光闌七折疊腔的本征模場進行數(shù)值分析，并給出這兩種腔場分布和損耗的計算結(jié)果。研究結(jié)果表明：高斯反射率平凹腔和加孔徑光闌七折疊穩(wěn)定腔容易獲得基模輸出，可用于高功率橫流CO2激光器以獲得高功率高質(zhì)量的激光光束。 通過比較基模高斯光束、基模高斯光束變換后的矩形光束和HJ-3型高功率橫流CO2激光器輸出光束的熱作用，獲得了如下結(jié)論：基模高斯光束經(jīng)過矩形變換裝置后，在一定的掃描速度下可以獲得均勻的相變硬化帶