2kW射頻板條CO2激光器光束整形研究.pdf

1、高功率擴散冷卻射頻板條CO2激光器由于光束質(zhì)量好被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，而光束整形技術(shù)是獲得高光束質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對高功率射頻板條CO2激光器的外光束整形系統(tǒng)進行了細致的理論與實驗研究。分析了激光器初始輸出光束與整形后光束的傳輸特性；探討了空間濾波器對光束整形系統(tǒng)的影響；建立了帶有空間濾波器的整形系統(tǒng)失調(diào)光束模型；研究了各光學元件失調(diào)對整形光束傳輸特性的影響。文中實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，其主要研究內(nèi)容如下：
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2、）分析了2kW高功率擴散冷卻射頻板條CO2激光器離軸負支非穩(wěn)波導混合腔初始輸出光束傳輸特性。初始光束是光強呈矩形分布的簡單象散光束，尺寸為22mm×1.5mm。光束非穩(wěn)方向的初始寬度大于波導方向初始寬度，非穩(wěn)方向發(fā)散角遠小于波導方向發(fā)散角。同時，初始輸出光束非穩(wěn)方向帶有大量的高空間頻率震蕩。初始光束非穩(wěn)方向M2因子為1.6，波導方向M2因子為1.08。
　?。?）研究了不帶空間濾波器的雙柱面鏡光束整形系統(tǒng)。經(jīng)過雙柱面鏡整形系統(tǒng)后，

3、整形光束在兩個方向上的光束寬度與發(fā)散角都近似相等，但整形光束非穩(wěn)方向的遠場分布依然存在旁瓣，將導致整形光束非穩(wěn)方向的光束質(zhì)量比波導方向差。同時，研究了非穩(wěn)腔參數(shù)變化對輸出光束遠場分布旁瓣能量占光束總能量比值的影響。通過調(diào)整非穩(wěn)腔的參數(shù)不能夠完全消除輸出光束的旁瓣。
　?。?）針對非穩(wěn)波導混合腔輸出光束非穩(wěn)方向的旁瓣不能通過調(diào)整非穩(wěn)腔參數(shù)消除的問題，研究了能夠消除旁瓣并提升光束質(zhì)量的帶空間濾波器的光束整形系統(tǒng)。通過分析空間濾波器寬度

4、對整形光束傳輸特性的影響，對空間濾波器進行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計后的空間濾波器造成的功率損耗為9.5％。初始輸出光束經(jīng)過帶空間濾波器光束整形系統(tǒng)后，輸出光束由矩形分布的簡單象散光束變成圓形的近基模高斯分布的非象散光束，整形光束的旁瓣被空間濾波器消除，光束質(zhì)量得到了提高。整形光束傳輸8000mm范圍內(nèi)兩個方向的光束半寬非常接近。光束半寬實驗結(jié)果為7.5mm，整形光束非穩(wěn)方向M2因子由1.6提升為1.1，波導方向M2因子不變。
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5、）針對光束整形系統(tǒng)光學元件在加工，裝配和實際工作過程中失調(diào)導致整形光束傳輸特性發(fā)生變化的問題。分析了整形系統(tǒng)中各光學元件失調(diào)對整形光束傳輸特性的影響。整形系統(tǒng)中球面聚焦鏡在非穩(wěn)方向失調(diào)比其在波導方向?qū)φ喂馐鴤鬏斕匦杂懈蟮挠绊?；球面聚焦鏡向空間濾波器方向移動時，整形光束非穩(wěn)方向半寬變大，波導方向半寬變小。整形系統(tǒng)中空間濾波器非穩(wěn)方向橫向位移失調(diào)對整形光束影響很大；空間濾波器軸向位移小于10mm時，對整形光束影響很?。豢臻g濾波器旋轉(zhuǎn)角度

6、失調(diào)對整形光束波導方向相比非穩(wěn)方向光束有很大的影響，造成波導方向的光強分布有凹陷。
　?。?）整形系統(tǒng)中柱面鏡橫向位移失調(diào)對整形光束影響很小，只會導致光強分布中心位置發(fā)生偏移；柱面鏡從空間濾波器向光束傳輸方向軸向位移，整形光束非穩(wěn)方向半寬減小，波導方向半寬幾乎不變；旋轉(zhuǎn)失調(diào)會改變整形光束的光強分布，光束將往一個方向傾斜變形。
　　論文研究工作對提高射頻板條CO2激光器光束質(zhì)量，滿足激光切割具有理論意義與實用性。同時研究工作對