大增益區(qū)高功率激光諧振腔的研究.pdf

1、激光諧振腔是激光系統(tǒng)的核心部件，合理的諧振腔設(shè)計可以提高輸出功率和改善光束質(zhì)量。為了獲得高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出，論文對大增益區(qū)激光諧振腔進(jìn)行了理論和實驗研究。論文的主要內(nèi)容包括： (1)建立了大菲涅爾系數(shù)激光諧振腔模式的數(shù)值計算模型，分析了不同有限元離散方法對模式計算精度和效率的影響，提出了一種等間距等面積的有限元離散方法。同時，提出了大菲涅爾系數(shù)激光諧振腔橫模競爭占優(yōu)模式判別方法，即光腔傳輸矩陣特征值的絕對值與激光光斑有

2、效面積系數(shù)的乘積為模式鑒別因子，模式鑒別因子 大的模式競爭占優(yōu)勢，并在多種激光諧振腔實驗中驗證了該方法的正確性。通過一個特定的光學(xué)聚焦系統(tǒng)，利用柯林斯公式建立了計算輸出光束質(zhì)量參數(shù)（包括聚焦光斑半徑、光束遠(yuǎn)場發(fā)散角、M2因子等）的數(shù)值模型。 (2)建立了一種基于二維衍射積分方程的非圓形光闌激光諧振腔的理論模型，方形光闌激光諧振腔的模式計算結(jié)果表明，除了存在分離變量方法獲得規(guī)則分布模式外，還存在分離變量方法不能得到的旋轉(zhuǎn)對稱分布模

3、式、十字架形分布模式和對角線對稱分布模式。理論和實驗研究了方形光闌、矩形光闌和三角形光闌激光諧振腔的光束特性，分別獲得了TEM99模方形光斑、TEM0－11模矩形光斑和六邊形光斑。對28mm×28mm方形光闌和直徑為28mm圓形光闌進(jìn)行了比較實驗，在不增加發(fā)散角的情況下，方形光闌的激光輸出功率高，在45＃鋼的激光相變淬火中獲得了更加均勻的相變硬化區(qū)。 (3)提出了一類全新的環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，系統(tǒng)地研究了不同光闌半徑、不同曲率

4、半徑對輸出光束的影響，并與平凹穩(wěn)定腔進(jìn)行比較。對于腔長為3m，曲率半徑為15m的環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，當(dāng)光闌半徑為16mm時，菲涅爾系數(shù)高達(dá)8左右，獲得了高光束質(zhì)量的環(huán)形分布光束，其M2因子為1.1613，光束遠(yuǎn)場發(fā)散角（全角）為0.75mrad。環(huán)形凹面鏡曲率半徑變化對輸出光束的光斑尺寸、遠(yuǎn)場發(fā)散角、聚焦特性，以及M2因子等影響不大。而當(dāng)平凹穩(wěn)定腔的反射鏡曲率半徑由10m變化到50m時，輸出光束模式由TEM04模變化為TEM01模。

5、 (4)在2kW橫流CO2激光器上進(jìn)行了的相同光闌尺寸的環(huán)形凹面鏡激光諧振腔、平凹穩(wěn)定腔和平行平面腔的對比實驗，在5A的放電電流激勵下，分別獲得了1820W的環(huán)形分布光束、1860W的TEM06模光斑和1000W的近似TEM03模光斑。環(huán)形分布光束以1m/min的掃描速度進(jìn)行不銹鋼的焊接，焊接熔深超過2.4mm。而平凹穩(wěn)定腔和平行平面腔的輸出光束不能進(jìn)行深穿透焊接。 (5)理論和實驗研究了高功率橫流CO2激光器折疊腔低階模