射频激励CO2激光器放电腔热应力的数值模拟和实验研究

摘要

射频激励CO2激光器在激光加工领域应用广泛,但工程实际运用中,激光器存在功率不稳定、持续工作时间短等问题,严重影响激光器的工作效率,加大生产成本。激光器放电腔在高稳定性的激光输出、实现激光器件的紧凑性、小型化等方面发挥着重要作用,激光器的工作气体储存在激光器的放电腔中。工作气体温度升高会导致输出功率下降;不均匀的温度分布会产生热应力,造成放电腔内部的变形。本文基于激光器放电腔的温度场和应力场的数值模拟,通过实验对比分析,确定了放电腔的结构和装配方案,对解决激光器在工程实际运用中输出功率不稳定等问题具有重要意义和实用价值。本文研究的内容主要有:
　　(1)概述了射频激励 CO2激光器的研究现状及其优缺点,分析了工程生产过程中遇到的实际问题,以及将问题集中在激光器放电腔的原因,简要说明了温度因素和热应力对激光器放电腔的影响。
　　(2)运用有限元仿真技术,对激光器运行过程中放电腔的温度分布和热变形进行了仿真,由于放电腔内部各个部件之间的装配间隙过大,精度不高、装配过程不规范、温度分布不均匀等原因,会造成激光器放电腔内部电极的变形,从而影响激光气体的电离,导致不必要的功率损耗。为了解决上述问题,提出了激光器放电腔的四种改进装配方案,并分别对这四种方案进行了温度场分布和热变形情况的数值模拟。通过五种数值模拟结果的对比分析,得出方案二的模拟结果总体最优,作为最终实验对象。
　　(3)为验证方案二放电腔的性能,取方案二中放电腔和工程实际中放电腔各五根,组装成十台激光器,分别在相同的工作环境下连续运行五天,每隔三十分钟记录一次功率,进行对比实验,并对实验数据进行分析和对比,得出结论:由方案二的放电腔装配成的激光器运行更加的稳定、高效。
　　方案二装配而成的激光器已经投入生产,目前为止,使用情况良好。

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第一章 前 言

1.1射频激励CO2激光器国内外的发展现状

1.2射频激励CO2激光器相对于其他激光器的优点

1.3 射频激励CO2激光器放电腔热应力分析的目的和意义

1.4 有限元法简介

1.5 有限元分析软件ANSYS Workbench

1.6 本文主要研究内容

1.7 本章小结

第二章 射频激励CO2激光器放电腔热应力分析的理论基础和有限元模型的建立

2.1 传热学基本理论

2.2 导热微分方程及其定解条件

2.3 导热问题的有限元解法

2.4热应力的理论基础

2.5 有限元求解热应力的基本方法

2.6 有限元模型的建立

2.7 本章小结

第三章 射频激励CO2激光器放电腔温度场和应力场的数值模拟

3.1温度场的数值模拟

3.2热应力模拟

3.3 分析结果

3.4 方案一的热应力分析

3.5 方案二的热应力分析

3.6 方案三的热应力分析

3.7 方案四的热应力分析

3.8 原模型与四种方案热变形的分析结果对比

3.9 本章总结

第四章 射频激励CO2激光器放电腔的实验分析

4.1 实验注意事项

4.2 实验步骤和设备

4.3 实验结果数据整理

4.4实习期间其他的一些工作成果

4.5 本章总结

结束语

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢

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