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激光器這一新的應用分支進行了探討。主要研究內容如下:
　　(1)在一維非穩(wěn)腔與一維波導腔的理論基礎上,針對百瓦級射頻板條CO2激光器設計了正支非穩(wěn)-波導混合腔,采用分離變量法分析了光束在

2、波導與非穩(wěn)兩個方向的輸出模式及傳輸特性。實驗測量了輸出光束近場遠場分布及激光諧振腔的功率失調特性。研究表明輸出光束在非穩(wěn)方向呈近似的準直輸出,硬邊衍射效應對光場分布有著明顯影響;波導方向為近似的基模輸出,發(fā)散角為12mrad。
　　(2)從非穩(wěn)腔的模式交叉特性入手,結合Collins公式與光學ABCD矩陣方法,將特征向量法的應用推廣到非穩(wěn)腔,計算過程中沒有對腔鏡的橫向尺寸進行任何近似。采用該擴展的特征向量法分別對非對稱和非共焦這兩

3、種不規(guī)則結構的非穩(wěn)腔進行了數(shù)值模擬,可以準確的獲得腔內各階本征模和損耗。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)腔的結構設計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)取值條件下進行了穩(wěn)態(tài)熱分析,結果表明當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行的條件

4、下,分析了從開機到達到穩(wěn)定狀態(tài)的動態(tài)過程,結果表明更高的對流換熱系數(shù)下板條電極達到穩(wěn)態(tài)的時間更短,h=2000W/(m2·℃)時達到穩(wěn)態(tài)過程約為五分鐘。
　　(4)對板條電極和窗口鏡的熱應力和變形進行了有限元分析。設計了三種不同的電極安裝結構并分別進行了熱應力與變形的分析,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。采用多項式擬合的方法構造了一個用于有限元

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變情況,并討論了高功率激光器窗口鏡的熱透鏡效應。
　　(5)從選支調諧CO2激光器的技術路線、研究進展和基本原理出發(fā),對工作介質、能級結構、光柵選支方法等技術理論進行了分析,并討論了選支調諧射頻板條CO2激光器的發(fā)展情況和關鍵技術問題。針對大功率射頻板條選支CO2激光器,設計了一種特殊的光柵-波導-折疊腔,該諧振腔在橫向上表現(xiàn)為一個等效的穩(wěn)定腔,而在垂直電極