高功率CO激光器光学谐振腔的改进及数值分析

摘要

为了获得高功率和高质量的激光光束，促进强激光在材料表面热处理领域的应用，本论文重点研究高功率横流CO2气体激光器的两种腔型：高斯反射率平凹腔和加孔径光阑七折叠稳定腔。 由于激光光束质量直接影响激光材料表面热处理效果，有必要采用新技术来提高激光光束质量。本文首先分析激光功率密度分布对激光热处理的影响，然后根据高功率横流CO2激光功率密度分布的测试结果来说明改进高功率横流CO2激光器谐振腔的必要性和途径。 标量衍射理论在含衍射受限界面的光学系统和谐振腔的研究中起重要作用，有必要对标量衍射理论和推广后的柯林斯公式进行回顾。本文分别给出用标量衍射理论和柯林斯公式模拟相干光学系统空间光场分布的实例，并对激光光场的空间追踪方法进行总结，以便将该方法应用于谐振腔横模场的研究中。 为了模拟激光谐振腔的横模场，本文按以下步骤对谐振腔的分析方法进行了深入研究。首先，根据衍射积分理论，讨论传统的Fox-Li迭代法；其次，利用激光光场空间追踪方法、角谱理论和快速傅里叶变换对Fox-Li迭代法进行改良，并给出带孔径光阑七折叠腔横模场的计算实例；然后，根据柯林斯公式，按受限衍射界面对谐振腔进行分割并将总光场数值离散为镜面微元上的光场后，引入自再现原理得到本征模的有限和矩阵方程；最后，利用求解全部本征值和本征向量的QR方法对共焦腔和带孔径光阑对称腔的横模场进行数值分析。研究表明，利用本征模的有限和矩阵方程和求解全部本征值和本征向量的QR方法可以快速准确地计算激光谐振腔的横模场及其损耗。 利用有限和矩阵方法对高斯反射率平凹腔、带孔径光阑七折叠腔的本征模场进行数值分析，并给出这两种腔场分布和损耗的计算结果。研究结果表明：高斯反射率平凹腔和加孔径光阑七折叠稳定腔容易获得基模输出，可用于高功率横流CO2激光器以获得高功率高质量的激光光束。 通过比较基模高斯光束、基模高斯光束变换后的矩形光束和HJ-3型高功率横流CO2激光器输出光束的热作用，获得了如下结论：基模高斯光束经过矩形变换装置后，在一定的扫描速度下可以获得均匀的相变硬化带。因此，改进高功率横流CO2激光器谐振腔获得基模输出为获得均匀的热处理硬化带提供了保证。

目录

文摘

英文文摘

昆明理工大学学位论文原创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章引言

1.1由激光表面热处理引出的光束质量问题

1.2激光束功率密度分布对激光表面热处理的影响

1.3高功率CO2激光功率密度分布的检测

1.4高功率CO2激光器及其谐振腔

第二章标量衍射理论和推广

2.1经典标量衍射理论

2.1.1自由空间的标量衍射理论

2.1.2通过光学元件的标量衍射理论

2.2柯林斯公式

2.3激光光场的空间追踪

2.3.1用标量衍射理论进行激光光场的空间追踪

2.3.2用柯林斯公式进行激光光场的空间追踪

第三章激光谐振腔模场的分析方法及其改进

3.1传统的衍射积分迭代法

3.2快速傅里叶变换方法

3.2.1角谱理论

3.2.2带圆孔光阑七折叠腔横模场的分析

3.3有限和矩阵方法

3.3.1共焦腔横模场的有限和矩阵方程

3.3.2求解复矩阵本征值和本征向量的QR法及其精度控制

3.3.3共焦腔横模场数值计算结果和分析

3.3.4带孔径光阑对称腔横模场的数值分析

第四章新型高功率CO2激光谐振腔的数值模拟

4.1高斯反射率方镜平凹腔的数值模拟

4.1.1方形球面镜腔衍射积分方程的柯林斯表达

4.1.2方形球面镜腔本征模式的矩阵描述

4.1.3高斯反射率方形平凹腔本征模式的矩阵表示

4.1.4计算结果及其讨论

4.2高斯反射率圆镜平凹腔的数值模拟

4.2.1圆镜平凹腔衍射积分方程

4.2.2圆镜平凹腔及高斯反射率圆镜平凹腔的本征模矩阵方程

4.2.3计算结果分析

4.3带圆孔光阑七折叠腔的数值模拟

4.3.1七折叠腔计算模型

4.3.2本征模有限和方程

4.3.3计算结果及讨论

4.3.4带圆孔光阑七折叠腔输出实例

第五章激光功率密度分布对热作用的影响

5.1激光热处理材料表面温度场的计算

5.1.1半无限大材料温度场半解析解及讨论

5.1.2温度场的快速计算

5.1.3基模高斯激光束的热作用

5.2激光热处理优化控制模型

5.3HJ-3型CO2激光器输出光束热处理及数值模拟

5.3.1直接使用输出光束的激光热处理

5.3.2输出光束经积分镜变换后的激光热处理

5.4基模高斯光束的热处理及其优化控制

5.4.1基模高斯光束的热处理

5.4.2双分割迭束光学装置

5.4.3矩形激光变换器

结论

致谢

参考文献

附录A(攻读学位期间发表论文目录)

附录B(攻读学位期间EI、ISTP收录论文)

附录C(主持和参加的科研课题)