高功率射频板条CO2激光器气体放电及光束稳定性研究

摘要

高功率射频板条CO2激光器在非金属切割特殊材料尤其是碳纤维切割仍具有广阔市场。皮秒太瓦CO2激光器在质子加速器中的应用;说明对高功率CO2激光器放电特性的研究意义重大。基于此;本文研究了多组放电极板下的电压均匀性问题和增益特性;探讨了极板;腔镜形变对光束传输和能量损耗的影响;主要研究内容如下： （1）通过对玻尔兹曼方程的傅里叶积分法求解;计算得到混合CO2气体的电子能量分布和电子漂移速度等参数。结果表明随着E/N值提高;电子能量分布的峰值呈现下降趋势。采用基于电场;能量守恒;碰撞反应所构成的自洽方程模型;得到粒子在放电空间的分布情况。当放电气压从16kPa增加到18kPa过程中;有利于电子密度;激发态粒子密度的增加;有利于小信号增益系数的增加。当射频激励频率从65MHz增加到95MHz过程中;忽略阻抗匹配问题;电子密度随着频率的增加而增加;若能同时增加注入射频功率;则输出功率变大。 （2）利用二维放电模型;分析多组放电极板的放电均匀性。结果表明在没有均压电感的情况下;当单个极板长度到达;495mm;极板电压分布存在;15%的电压差。对两组放电极板而言;其左右放电组之间无影响;且左右放电组的电压分布为对称状态。通过对均压电感位置和数值的研究;说明均压电感的电感值需要与射频放电回路匹配;存在最佳值;波动的波谷出现在放置电感的位置。而极板的短边方向由于尺寸较短;所以波动较小;范围为2%~0.2%。研究发现均压电感布置在放电平板上的密度要适当;同时在完全覆盖整个放电平板的情况下可以获得较好的放电均匀性。对频率波动情况下的放电均匀性问题的研究表明;当实际运行频率略低于理论频率时;在均压电感不变的情况下;均匀性不变或可以进一步改善。但是当实际运行频率高于理论频率时;在均压电感不变的情况下;均匀性会变差。 （3）分析铜和Al2O3膜的材料特性及其与波导面损耗之间的关系。结果说明;镀Al2O3膜层具有较高的硬度;波导损耗小;有利于获得更高的谐振腔功率提取率。针对极板的形变;讨论了对放电均匀性和放电区粒子密度变化的影响。当极板形变导致放电间距变小;则形变处的位移电流变小;等效容性阻抗变大;需要增大附近的均压电感数值才能重新实现均压。假设其它条件不变;则形变处的电子密度增大;等离子体区电子碰撞频率变大;小信号增益系数变大;光强变强;同时随着放电间距的变小;波导面损耗增加;导致谐振腔功率提取率降低。利用ANSYS对极板散热进行研究;表明电极中央区域的温差波动小于;2℃;电极四周与中央的温差波动在;4~5℃左右;在安装力的约束下;可认为放电过程中电极不存在极板形变的问题。然后经连续放电实验;表明长期放电运行对镀膜电极无影响;且镀膜电极使用寿命较长。 （4）通过对小信号增益的理论分析;利用激发态粒子数与基态粒子数分布研究了小信号增益在放电空间中分布。从粒子在空间的分布得到在等离子体区域增益分布维持不变。经过研究测量小信号增益的放大法;提出了多组放电电极结构谐振腔的小信号测量方法。针对放电气体冷却特性;经过仿真和实验;说明有效冷却放电气体温度有利于增加小信号增益系数并获得更大的激光输出功率。但当气体温度降低到某个程度后;则小信号增益系数不会再增大反而会下降。 （5）在满负荷且长时间运行后;对谐振腔内反射镜的热形变进行了研究。探讨了腔镜热形变对谐振腔光束传输特性的影响;研究了谐振腔输出的偏移光束在外光路整形系统中产生的损耗。结果表明;腔镜的曲率半径变化0.1%（1mm）;则谐振腔输出光束偏移光轴;1.5mrad。该光束传输到球面聚焦镜时相当于;0.48mm;的球面聚焦镜非稳方向位移;产生55%的功率损失。也相当于空间滤波器在非稳方向位移1.65mm;导致90%左右的功率因空间滤波器的阻挡而损耗。所以为了使因失调而损失的功率控制在2%以内;需要保证空间滤波器安装的角度误差小于5°;且光束在球面聚焦镜处的非稳方向位移小于;0.2mm;在空间滤波器处的非稳方向位移小于;0.24mm。而实现该状态;则要保证腔内反射镜因发热而导致的曲率半径变化小于0.014%（0.145mm）。最后针对腔镜热形变;提出了利用转折镜矫正;并给出了矫正装置结构。

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