高功率激光的傳輸變換與光束控制研究.pdf

1、激光作為20 世紀(jì)人類最偉大的科技發(fā)明之一，經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展，已與多學(xué)科相結(jié)合，并極大地推動(dòng)了相關(guān)基礎(chǔ)及應(yīng)用學(xué)科研究的發(fā)展。特別是20 世紀(jì)80年代中期以來(lái)，高功率激光技術(shù)的飛速發(fā)展帶來(lái)了遍及科學(xué)研究、工業(yè)制造與材料加工、通訊、國(guó)防及醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。自激光發(fā)明以來(lái)，對(duì)激光傳輸變換及光束控制的研究一直是激光科學(xué)技術(shù)中一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域！
　　 本論文結(jié)合高功率激光的科學(xué)研究及實(shí)際應(yīng)用需求，分別從“功率通量光束傳輸因子

2、M2pc基本特性”、“光學(xué)非穩(wěn)腔輸出環(huán)形光束中央暗斑重構(gòu)”、“高功率激光加工用寬帶光束優(yōu)化與控制”以及“高功率連續(xù)CO2 激光束高重頻脈沖調(diào)制”等四個(gè)方面，圍繞高功率激光的傳輸變換與光束控制技術(shù)開(kāi)展了深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。概括全文的研究成果及貢獻(xiàn)，有如下幾個(gè)方面：
　　 (1)對(duì)功率通量光束傳輸因子M2pc的基本特性進(jìn)行了探索性研究。首先從理論上證明了光學(xué)共焦腔中的“自再現(xiàn)”光束具有最小的M2pc 值。通過(guò)對(duì)非相干疊加高斯光束M

3、2pc 因子的理論研究，發(fā)現(xiàn)該類光束的M2pc 值可以小于1，并強(qiáng)烈依賴于所定義的功率通量值。其次，重點(diǎn)針對(duì)86.5％功率通量法定義下M2pc 因子的特性展開(kāi)了探索性研究：證明了軸向偏移相干疊加高斯光束的M2pc 值必定大于1。采用徑向?qū)ΨQ型高斯—拉蓋爾模相干疊加的方法，構(gòu)造出了一類具有M2pc＜1 特性的模型光束，并首次從理論上嚴(yán)格證明了近軸近似條件下86.5％功率通量M2pc 因子值可以小于1！通過(guò)分析菲涅爾數(shù)對(duì)實(shí)際半共焦腔基模輸出

4、光束特性及其M2pc 因子的影響，發(fā)現(xiàn)了有限口徑半共焦腔基模輸出光束的M2pc 值不可能小于1；并從標(biāo)量衍射理論出發(fā)，證明了內(nèi)含λ/2相位臺(tái)階激光諧振腔與具有相同腔型結(jié)構(gòu)及尺寸的實(shí)際半共焦腔完全等價(jià)，進(jìn)而說(shuō)明了在現(xiàn)有的標(biāo)量衍射理論前提下，沒(méi)有證據(jù)表明腔內(nèi)λ/2 相位臺(tái)階可以改善諧振腔的輸出光束質(zhì)量。最后從理論與實(shí)際應(yīng)用兩方面探討了M2pc 因子與光束質(zhì)量的關(guān)系。
　　 (2)對(duì)光學(xué)非穩(wěn)腔輸出環(huán)形光束中央暗斑重構(gòu)方法進(jìn)行了理論研究

5、。首先，系統(tǒng)性地討論了高功率氣體激光技術(shù)研究常用腔型—正支虛共焦非穩(wěn)腔的本征模式行為及其輸出模式特性。在此基礎(chǔ)上，研究了一種基于內(nèi)圓錐面環(huán)形刮刀鏡及外圓錐面反射鏡的環(huán)形光束整形方案，并對(duì)該方案的實(shí)現(xiàn)原理和光路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。最后以工業(yè)用高功率CO2 激光器的常規(guī)虛共焦非穩(wěn)腔為例，對(duì)其輸出模式經(jīng)環(huán)形光束整形系統(tǒng)變換后的傳輸特性及其光束質(zhì)量進(jìn)行了討論。理論計(jì)算結(jié)果表明，整形后圓形實(shí)心光束的光束質(zhì)量有了顯著改善，其86.5％功率通量光束參量積

6、(即光束束腰與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積)已接近衍射極限！
　　 (3)對(duì)高功率激光加工用寬帶光束優(yōu)化與控制方法進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了一種適合高功率激光加工應(yīng)用場(chǎng)合的新型寬帶光斑成型拋物面鏡，實(shí)現(xiàn)了由原始圓形光束到光強(qiáng)分布均勻窄條形寬帶光束的有效變換，改善了激光熱處理硬化層分布的均勻性。探索性地從理論與實(shí)驗(yàn)上研究了一種基于新型扇形類拋物面鏡的高功率激光加工用激光光束展寬方法，利用該方法能夠在更大尺度范圍內(nèi)(可達(dá)500mm)對(duì)高功率激

7、光束進(jìn)行高功率密度條件下的有效、連續(xù)可控展寬。
　　 (4)對(duì)基于旋轉(zhuǎn)式多棱鏡的高功率連續(xù)CO2 激光束高重頻脈沖調(diào)制方法進(jìn)行了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。首先從廣義ABCD 定律出發(fā)，對(duì)多棱鏡掃描分光脈沖調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)際聚焦特性進(jìn)行了系統(tǒng)性理論研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入一定的精確離焦量，可以實(shí)現(xiàn)單脈沖作用時(shí)間內(nèi)聚焦光斑與待加工材料間運(yùn)動(dòng)速度的同步，進(jìn)而在材料表面實(shí)現(xiàn)圓形微孔加工。在上述理論研究的基礎(chǔ)上，本課題組開(kāi)展了利用多棱鏡掃描分光實(shí)