高功率CO-,2-激光器光學(xué)諧振腔的改進(jìn)及數(shù)值分析.pdf

1、為了獲得高功率和高質(zhì)量的激光光束，促進(jìn)強(qiáng)激光在材料表面熱處理領(lǐng)域的應(yīng)用，本論文重點(diǎn)研究高功率橫流CO2氣體激光器的兩種腔型：高斯反射率平凹腔和加孔徑光闌七折疊穩(wěn)定腔。 由于激光光束質(zhì)量直接影響激光材料表面熱處理效果，有必要采用新技術(shù)來提高激光光束質(zhì)量。本文首先分析激光功率密度分布對(duì)激光熱處理的影響，然后根據(jù)高功率橫流CO2激光功率密度分布的測(cè)試結(jié)果來說明改進(jìn)高功率橫流CO2激光器諧振腔的必要性和途徑。 標(biāo)量衍射理論在含衍

2、射受限界面的光學(xué)系統(tǒng)和諧振腔的研究中起重要作用，有必要對(duì)標(biāo)量衍射理論和推廣后的柯林斯公式進(jìn)行回顧。本文分別給出用標(biāo)量衍射理論和柯林斯公式模擬相干光學(xué)系統(tǒng)空間光場(chǎng)分布的實(shí)例，并對(duì)激光光場(chǎng)的空間追蹤方法進(jìn)行總結(jié)，以便將該方法應(yīng)用于諧振腔橫模場(chǎng)的研究中。 為了模擬激光諧振腔的橫模場(chǎng)，本文按以下步驟對(duì)諧振腔的分析方法進(jìn)行了深入研究。首先，根據(jù)衍射積分理論，討論傳統(tǒng)的Fox-Li迭代法；其次，利用激光光場(chǎng)空間追蹤方法、角譜理論和快速傅里葉

3、變換對(duì)Fox-Li迭代法進(jìn)行改良，并給出帶孔徑光闌七折疊腔橫模場(chǎng)的計(jì)算實(shí)例；然后，根據(jù)柯林斯公式，按受限衍射界面對(duì)諧振腔進(jìn)行分割并將總光場(chǎng)數(shù)值離散為鏡面微元上的光場(chǎng)后，引入自再現(xiàn)原理得到本征模的有限和矩陣方程；最后，利用求解全部本征值和本征向量的QR方法對(duì)共焦腔和帶孔徑光闌對(duì)稱腔的橫模場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析。研究表明，利用本征模的有限和矩陣方程和求解全部本征值和本征向量的QR方法可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算激光諧振腔的橫模場(chǎng)及其損耗。 利用有限和

4、矩陣方法對(duì)高斯反射率平凹腔、帶孔徑光闌七折疊腔的本征模場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，并給出這兩種腔場(chǎng)分布和損耗的計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明：高斯反射率平凹腔和加孔徑光闌七折疊穩(wěn)定腔容易獲得基模輸出，可用于高功率橫流CO2激光器以獲得高功率高質(zhì)量的激光光束。 通過比較基模高斯光束、基模高斯光束變換后的矩形光束和HJ-3型高功率橫流CO2激光器輸出光束的熱作用，獲得了如下結(jié)論：基模高斯光束經(jīng)過矩形變換裝置后，在一定的掃描速度下可以獲得均勻的相變硬化帶