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系列轴对称结构CO_2激光器输出光束分析及整形

刘静伦  
【摘要】: 激光作为一种特殊的能源用于加工,有着其它能源不能替代的优点:激光可以对绝大多数金属和非金属加工;激光作为一种非机械加工刀具,对材料没有机械压力或机械损害,对环境基本无污染;激光加工不会受到电场或磁场的干扰;激光加工是非接触式加工,激光可以穿透材料外壁,对其内部进行加工,也可以对金属刀具难以到达的地方进行加工;激光束可以聚焦到极其细小,对材料进行精细加工;激光束大小可调,具有很大的柔性。 激光在加工领域表现出来的优势促进了激光加工工艺的发展;同时,加工领域反过来促进激光器的发展。光束质量是激光制造系统发展、进步的重要标志。追求高光束质量的大功率激光输出是现代激光制造用激光器不断发展的目标。高功率和高品质始终是所有制造用高功率激光器发展的两根主线。CO_2激光具有气体激光方向性好的优势。波长处于红外波段的CO_2激光尤其适宜高功率激光加工。 本文针对一类新型的CO_2激光器——轴对称结构CO_2激光器的输出光束进行分析和整形,以期能尽可能的满足加工领域的要求。为此,本文主要做了以下工作: 1、分析了系列轴对称折迭组合腔二氧化碳激光器的输出光束。根据旁轴矩阵以及相干理论,分析了二维轴对称折迭组合腔二氧化碳激光器和三维轴对称折迭组合腔二氧化碳激光器的近场输出光束,并做了数值计算。 2、分析了用凹凸红外透镜聚焦三维9只放电管轴对称折迭组合腔二氧化碳激光器的输出光束。根据旁轴矩阵、以及分步搜索法寻找到满足输出光束具有较小的出射角、较长焦深的凹凸红外透镜的光学表面参数。利用所得透镜的光学表面参数,对聚焦后的光束轮廓做了计算。运用失调理论分析了透镜放置位置失调的几种情况对输出光束的影响。 3、分析了用同轴有孔反射系统聚焦三维9只放电管轴对称折迭组合腔二氧化碳激光器的输出光束。根据旁轴矩阵、以及分步搜索法寻找到满足输出光束具有较小的出射角、较长的焦深的同轴有孔反射系统的光学表面参数。利用所得同轴有孔反射系统的光学表面参数,对聚焦后的光束轮廓做了计算。 4、分析了一种特殊的轴对称结构二氧化碳激光器,中空圆锥二氧化碳激光器。运用子束理论,根据该激光器放电管为旋转对称的圆锥形状,数值计算了中空圆锥二氧化碳激光器的输出光束。用失调理论来描述倾斜入射光学系统的光束,借助空域中的衍射积分方程,分析了该中空光束被透镜聚焦的特性。 5、分析了用ABCD系统将中空圆锥二氧化碳激光器的输出光束整形为圆柱光束的可能性。由于中空圆锥二氧化碳激光器的输出光束的旋转对称性,因此,转化为研究一维倾斜的基模高斯光束被ABCD系统整形为有一定宽度的强度轮廓均匀分布的平行于光轴Z轴传输的平面波的可能情况。运用能量守恒,以及光束复参数理论,获得描述用于整形的光学系统的光学复数矩阵元。


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