射頻板條CO2激光器的光束特性及其熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、光束特性及其熱穩(wěn)定性是高功率射頻板條CO2激光器中的重要理論問題和關(guān)鍵工程問題。本文研究了射頻板條CO2激光器的輸出光束特性和腔內(nèi)模式與損耗特性,射頻板條電極的溫度場與熱變形問題、窗口鏡的熱畸變問題,熱穩(wěn)定性對光束特性的影響,并對射頻板條選支CO2激光器這一新的應(yīng)用分支進(jìn)行了探討。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)在一維非穩(wěn)腔與一維波導(dǎo)腔的理論基礎(chǔ)上,針對百瓦級射頻板條CO2激光器設(shè)計(jì)了正支非穩(wěn)-波導(dǎo)混合腔,采用分離變量法分析了光束在

2、波導(dǎo)與非穩(wěn)兩個(gè)方向的輸出模式及傳輸特性。實(shí)驗(yàn)測量了輸出光束近場遠(yuǎn)場分布及激光諧振腔的功率失調(diào)特性。研究表明輸出光束在非穩(wěn)方向呈近似的準(zhǔn)直輸出,硬邊衍射效應(yīng)對光場分布有著明顯影響;波導(dǎo)方向?yàn)榻频幕］敵?發(fā)散角為12mrad。
　　(2)從非穩(wěn)腔的模式交叉特性入手,結(jié)合Collins公式與光學(xué)ABCD矩陣方法,將特征向量法的應(yīng)用推廣到非穩(wěn)腔,計(jì)算過程中沒有對腔鏡的橫向尺寸進(jìn)行任何近似。采用該擴(kuò)展的特征向量法分別對非對稱和非共焦這兩

3、種不規(guī)則結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)腔進(jìn)行了數(shù)值模擬,可以準(zhǔn)確的獲得腔內(nèi)各階本征模和損耗。通過改變非穩(wěn)腔的各種幾何參數(shù)獲得各階模式損耗的變化曲線,為非穩(wěn)腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和深入理解提供了便捷的方法。
　　(3)針對2kW射頻板條CO2激光器,進(jìn)行了板條電極熱穩(wěn)定性的研究。探討了影響對流換熱問題的關(guān)鍵參數(shù)——對流換熱系數(shù)的取值。在不同的對流換熱系數(shù)取值條件下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱分析,結(jié)果表明當(dāng)水流量超過一定值后,電極冷卻效果增加不明顯。然后在激光器滿功率運(yùn)行的條件

4、下,分析了從開機(jī)到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過程,結(jié)果表明更高的對流換熱系數(shù)下板條電極達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間更短,h=2000W/(m2·℃)時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)過程約為五分鐘。
　　(4)對板條電極和窗口鏡的熱應(yīng)力和變形進(jìn)行了有限元分析。設(shè)計(jì)了三種不同的電極安裝結(jié)構(gòu)并分別進(jìn)行了熱應(yīng)力與變形的分析,證明采用絕緣陶瓷定位方案和自由無約束方案均適用,各有優(yōu)劣。針對非穩(wěn)-波導(dǎo)腔特殊的輸出光束特性,研究了其對窗口鏡的熱影響。采用多項(xiàng)式擬合的方法構(gòu)造了一個(gè)用于有限元

5、分析的激光功率分布函數(shù),精確模擬了窗口鏡在條形光斑作用下的溫度場分布和熱應(yīng)變情況,并討論了高功率激光器窗口鏡的熱透鏡效應(yīng)。
　　(5)從選支調(diào)諧CO2激光器的技術(shù)路線、研究進(jìn)展和基本原理出發(fā),對工作介質(zhì)、能級結(jié)構(gòu)、光柵選支方法等技術(shù)理論進(jìn)行了分析,并討論了選支調(diào)諧射頻板條CO2激光器的發(fā)展情況和關(guān)鍵技術(shù)問題。針對大功率射頻板條選支CO2激光器,設(shè)計(jì)了一種特殊的光柵-波導(dǎo)-折疊腔,該諧振腔在橫向上表現(xiàn)為一個(gè)等效的穩(wěn)定腔,而在垂直電極