高功率CO2激光切割若干关键因素分析

摘要

在大功率CO2激光器切割的应用中，影响切割质量的因素主要分为器件和工艺两个方面。在器件方面，激光器作为激光切割中的核心部件，其稳定性和光束质量对切割质量的影响十分关键。本文在分析横流CO2激光器的基础上，从激光器谐振腔和光束偏振态的角度具体展开了以下研究工作：
　　 (1)简单介绍了国内外激光切割行业的研究状况。通过对横流CO2激光器基本原理和特性介绍，讲解了几种常见的横流CO2激光器谐振腔结构，并分析了谐振腔衍射积分方程的几种求解方法。
　　 (2)对现有10KW横流CO2激光器V型谐振腔进行具体分析，采用矩阵光学理论计算了腔内光束参数，并利用谐振腔的等价理论推导出了V型腔的衍射积分方程。
　　 (3)在菲涅尔一基尔霍夫衍射积分方程的基础上，对稳定一非稳腔的衍射积分方程进行了推导与求解。利用Glad软件对稳定．非稳腔的输出模式和现用V型腔的输出模式进行了模拟。
　　 (4)对比V型腔10KW横流CO2激光器，对稳定，非稳腔进行了试验研究，研究结果表明，稳定-非稳腔能有效提高增益区的利用面积，提高输出功率，并能有效避免放电区的溅射和拉弧，有利于获得均匀平稳的辉光放电，与理论研究结果相符。
　　 (5)针对光束偏振态对切割质量的影响进行了试验研究。研究结果表明，使用线偏振光切割时，光束在不同切割方向上产生的切缝宽度不同，挂渣程度也不一样。而采用圆偏振光切割时，切缝宽度一致性良好，且无明显挂渣现象。从光能的吸收和反射两个方面解释了产生这种现象的原因。给出了在激光切割时，为了获得良好的切割效果应采取的措施。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 横流CO2激光器的发展状况

1.2.1 国外发展状况

1.2.2 国内发展状况

1.3 横流CO2激光器的研究动态

1.3.1 国外研究动态

1.3.2 国内研究动态

1.4 本文研究的内容及意义

1.4.1 本文研究的背景

1.4.2 本文研究的内容及意义

2 横流CO2激光器谐振腔的工作原理及特性

2.1 横流CO2激光器的工作原理

2.1.1 二氧化碳分子的振转能级结构

2.1.2 激发机理

2.2 横流CO2激光器的工作特性

2.2.1 气体温度的影响

2.2.2 工作气体压力的影响

2.2.3 工作气体流速的影响

2.2.4 放电电流的影响

2.3 谐振腔的工作原理

2.3.1 谐振腔稳定的条件

2.3.2 谐振腔内光束形成的条件

2.3.3 谐振腔损耗对其持续工作的影响

2.4 本章小结

3 横流CO2激光器光学谐振腔结构分析

3.1 横流CO2激光器常见光学谐振腔结构

3.1.1 直腔

3.1.2 折叠腔

3.2 光学谐振腔的衍射理论及数学描述

3.3 衍射积分方程的求解方法

3.3.1 数值迭代法

3.3.2 FFT法

3.3.3 基于有限元的数值矩阵方法

3.4 本章小结

4 TFL10000型横流激光器V型腔分析

4.1 外桥内腔结构

4.2 V型腔参数分析

4.3 V型腔衍射积分方程

4.4 增益分布影响

4.5 本章小结

5 稳定-非稳腔的理论分析与试验研究

5.1 稳定-非稳腔的理论分析

5.1.1 稳定-非稳腔的特点

5.1.2 衍射积分方程的推导及求解

5.1.3 稳定-非稳腔的模拟

5.2 稳定-非稳腔的实验研究

5.2.1 系统结构

5.2.2 系统结构参数

5.2.3 实验结果

5.2.4 试验结果分析

5.3 本章小结

6 光束偏振性对切割质量的影响

6.1 激光切割及其应用、研究

6.2 大功率CO2激光切割系统

6.3 大功率CO2激光切割实验

6.4 实验分析

6.5 本章小结

7 总结

7.1 全文结论

7.2 创新点

7.3 值得继续的工作

致谢

参考文献

附录:攻读学位期间发表的学术论文和参与的工作