大增益区高功率激光谐振腔的研究

论文摘要

激光谐振腔是激光系统的核心部件,合理的谐振腔设计可以提高输出功率和改善光束质量。为了获得高功率和高光束质量的激光输出,论文对大增益区激光谐振腔进行了理论和实验研究。论文的主要内容包括:（1）建立了大菲涅尔系数激光谐振腔模式的数值计算模型,分析了不同有限元离散方法对模式计算精度和效率的影响,提出了一种等间距等面积的有限元离散方法。同时,提出了大菲涅尔系数激光谐振腔横模竞争占优模式判别方法,即光腔传输矩阵特征值γ的绝对值与激光光斑有效面积系数η0.05的乘积为模式鉴别因子σ,模式鉴别因子σ大的模式竞争占优势,并在多种激光谐振腔实验中验证了该方法的正确性。通过一个特定的光学聚焦系统,利用柯林斯公式建立了计算输出光束质量参数（包括聚焦光斑半径、光束远场发散角、M2因子等）的数值模型。（2）建立了一种基于二维衍射积分方程的非圆形光阑激光谐振腔的理论模型,方形光阑激光谐振腔的模式计算结果表明,除了存在分离变量方法获得规则分布模式外,还存在分离变量方法不能得到的旋转对称分布模式、十字架形分布模式和对角线对称分布模式。理论和实验研究了方形光阑、矩形光阑和三角形光阑激光谐振腔的光束特性,分别获得了TEM99模方形光斑、TEM0-11模矩形光斑和六边形光斑。对28mm×28mm方形光阑和直径为28mm圆形光阑进行了比较实验,在不增加发散角的情况下,方形光阑的激光输出功率高,在45#钢的激光相变淬火中获得了更加均匀的相变硬化区。（3）提出了一类全新的环形凹面镜激光谐振腔,系统地研究了不同光阑半径、不同曲率半径对输出光束的影响,并与平凹稳定腔进行比较。对于腔长为3m,曲率半径为15m的环形凹面镜激光谐振腔,当光阑半径为16mm时,菲涅尔系数高达8左右,获得了高光束质量的环形分布光束,其M2因子为1.1613,光束远场发散角（全角）为0.75mrad。环形凹面镜曲率半径变化对输出光束的光斑尺寸、远场发散角、聚焦特性,以及M2因子等影响不大。而当平凹稳定腔的反射镜曲率半径由10m变化到50m时,输出光束模式由TEM04模变化为TEM01模。（4）在2kW横流CO2激光器上进行了的相同光阑尺寸的环形凹面镜激光谐振腔、平凹稳定腔和平行平面腔的对比实验,在5A的放电电流激励下,分别获得了1820W的环形分布光束、1860W的TEM06模光斑和1000W的近似TEM03模光斑。环形分布光束以1m/min的扫描速度进行不锈钢的焊接,焊接熔深超过2.4mm。而平凹稳定腔和平行平面腔的输出光束不能进行深穿透焊接。（5）理论和实验研究了高功率横流CO2激光器折叠腔低阶模输出光束特性,提出了外桥内腔式折叠腔的动态补偿调整方法,解决了光腔失调问题,开发了高稳定性的N型三折激光谐振腔,成功应用于汽车安全气囊气体发生器三工位激光焊接系统中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 2 激光器的发展概况'>1.1 高功率CO₂激光器的发展概况
• 2 激光器谐振腔的发展趋势'>1.2 高功率CO₂激光器谐振腔的发展趋势
• 1.3 激光谐振腔的理论分析方法研究
• 1.4 论文的目的、主要工作与结构安排、意义
• 2 激光器实验系统'>2 高功率CO₂激光器实验系统
• 2 激光器'>2.1 高功率连续电激励横流CO₂激光器
• 2.2 光束质量检测装置
• 2.3 激光焊接系统
• 3 大菲涅尔系数激光谐振腔理论计算
• 3.1 激光谐振腔的模式计算
• 3.2 有限元离散法研究
• 3.3 横模竞争占优模式判别方法
• 3.4 光束质量参数计算
• 3.5 本章小结
• 4 非圆形光阑激光谐振腔的研究
• 4.1 非圆形光阑反射镜之间的距离公式
• 4.2 方形光阑、矩形光阑激光谐振腔
• 4.3 等边三角形光阑激光谐振腔
• 4.4 本章小结
• 5 环行凹面镜激光谐振腔的研究
• 5.1 环行凹面反射镜激光谐振腔的模拟
• 5.2 环行凹面反射镜激光谐振腔的特性分析
• 5.3 环行凹面反射镜激光谐振腔的实验研究
• 5.4 本章小结
• 6 折叠激光谐振腔及焊接应用研究
• 6.1 折叠激光谐振腔的理论分析
• 6.2 折叠激光谐振腔的实验研究
• 6.3 激光焊接汽车安全气囊气体发生器的工艺研究
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间授权和申请的发明专利目录
• 附录3 攻读博士学位期间参与的科研活动及获奖