高功率激光的传输变换与光束控制研究

摘要

激光作为20 世纪人类最伟大的科技发明之一，经过50年的发展，已与多学科相结合，并极大地推动了相关基础及应用学科研究的发展。特别是20 世纪80年代中期以来，高功率激光技术的飞速发展带来了遍及科学研究、工业制造与材料加工、通讯、国防及医疗等各个领域的广泛应用。自激光发明以来，对激光传输变换及光束控制的研究一直是激光科学技术中一个十分活跃的研究领域！
　　 本论文结合高功率激光的科学研究及实际应用需求，分别从“功率通量光束传输因子M2pc基本特性”、“光学非稳腔输出环形光束中央暗斑重构”、“高功率激光加工用宽带光束优化与控制”以及“高功率连续CO2 激光束高重频脉冲调制”等四个方面，围绕高功率激光的传输变换与光束控制技术开展了深入的理论与实验研究。概括全文的研究成果及贡献，有如下几个方面：
　　 (1)对功率通量光束传输因子M2pc的基本特性进行了探索性研究。首先从理论上证明了光学共焦腔中的“自再现”光束具有最小的M2pc 值。通过对非相干叠加高斯光束M2pc 因子的理论研究，发现该类光束的M2pc 值可以小于1，并强烈依赖于所定义的功率通量值。其次，重点针对86.5％功率通量法定义下M2pc 因子的特性展开了探索性研究：证明了轴向偏移相干叠加高斯光束的M2pc 值必定大于1。采用径向对称型高斯—拉盖尔模相干叠加的方法，构造出了一类具有M2pc＜1 特性的模型光束，并首次从理论上严格证明了近轴近似条件下86.5％功率通量M2pc 因子值可以小于1！通过分析菲涅尔数对实际半共焦腔基模输出光束特性及其M2pc 因子的影响，发现了有限口径半共焦腔基模输出光束的M2pc 值不可能小于1；并从标量衍射理论出发，证明了内含λ/2相位台阶激光谐振腔与具有相同腔型结构及尺寸的实际半共焦腔完全等价，进而说明了在现有的标量衍射理论前提下，没有证据表明腔内λ/2 相位台阶可以改善谐振腔的输出光束质量。最后从理论与实际应用两方面探讨了M2pc 因子与光束质量的关系。
　　 (2)对光学非稳腔输出环形光束中央暗斑重构方法进行了理论研究。首先，系统性地讨论了高功率气体激光技术研究常用腔型—正支虚共焦非稳腔的本征模式行为及其输出模式特性。在此基础上，研究了一种基于内圆锥面环形刮刀镜及外圆锥面反射镜的环形光束整形方案，并对该方案的实现原理和光路设计进行了分析。最后以工业用高功率CO2 激光器的常规虚共焦非稳腔为例，对其输出模式经环形光束整形系统变换后的传输特性及其光束质量进行了讨论。理论计算结果表明，整形后圆形实心光束的光束质量有了显著改善，其86.5％功率通量光束参量积(即光束束腰与远场发散角的乘积)已接近衍射极限！
　　 (3)对高功率激光加工用宽带光束优化与控制方法进行了理论与实验研究。设计了一种适合高功率激光加工应用场合的新型宽带光斑成型抛物面镜，实现了由原始圆形光束到光强分布均匀窄条形宽带光束的有效变换，改善了激光热处理硬化层分布的均匀性。探索性地从理论与实验上研究了一种基于新型扇形类抛物面镜的高功率激光加工用激光光束展宽方法，利用该方法能够在更大尺度范围内(可达500mm)对高功率激光束进行高功率密度条件下的有效、连续可控展宽。
　　 (4)对基于旋转式多棱镜的高功率连续CO2 激光束高重频脉冲调制方法进行了相关的理论与实验研究。首先从广义ABCD 定律出发，对多棱镜扫描分光脉冲调制系统的实际聚焦特性进行了系统性理论研究。结果发现，通过引入一定的精确离焦量，可以实现单脉冲作用时间内聚焦光斑与待加工材料间运动速度的同步，进而在材料表面实现圆形微孔加工。在上述理论研究的基础上，本课题组开展了利用多棱镜扫描分光实现多头CO2 激光轧辊表面毛化的实验研究，在其表面获得了具有良好一致性的圆形毛化点。最后我们开展了基于多棱镜扫描分光原理的水松纸激光打孔实验研究，并在高速运动水松纸的表面获得了具有均匀直径的圆形透气微孔，进一步论证了上述理论研究结果的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 基于强度二阶矩的M2 因子及其光束传输变换理论

3 基于功率通量法的M2pc因子及其特性研究初探pc 因子及其特性研究初探

4 光学非稳腔输出环形光束中央暗斑重构方法研究

5 高功率激光加工用宽带光束优化与控制方法研究

6 高功率连续CO2 激光束高重频脉冲调制方法研究

7 总结与展望

致 谢

参考文献

附录