高功率TEA CO_2激光器双波长切换输出技术的研究
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摘要
TEA CO_2激光器采用脉冲重复频率工作制式,可同时兼有高平均功率、高重复频率和高峰值功率,在工业、国防和科研等领域具有重要的应用价值。随着高功率TEA CO_2激光器技术的不断发展,在很多领域的应用日趋增多,对其功能要求也不断增加。例如,在激光与物质相互作用的研究中,人们不仅需要输出中心波长10.6μm的激光,还需要输出中心波长9.3μm的激光,以研究在相同的输出功率(能量)下不同波长激光对物质作用的效果。因此,为了提高高功率TEA CO_2激光器的应用范围,更好的研究双波长输出技术,为以后工程实际应用打下基础,进行高功率TEA CO_2激光器的双波长输出技术的研究是非常必要的。
本文基于传统波长选支方法不能满足输出高功率激光的不足,提出了新的波长选支输出技术——输出窗口镀膜选支技术,对该技术的原理进行了详细的介绍,应用该原理设计了10.6μm和9.3μm的镀膜特性曲线,并利用一台高重复频率高平均功率TEA CO_2激光器,进行了中心波长9.3μm和10.6μm激光的选支实验研究,在此基础上设计了双波长密闭免调切换窗口结构装置,实现了在一台激光器上密闭免调切换输出10.6μm和9.3μm两个中心波长的激光。
利用有限元软件MSC.Patran/Nastran对该切换移动平台组件进行静力学分析、模态分析、热应力分析及热力耦合分析。然后对该结构进行优化改进,使分析结果满足精度要求。并对改进后有限元分析结果中的镜面变形结果数据,基于齐次坐标变换原理和最小二乘法原理,使用MATLAB软件进行曲面拟合,得到整个镜面绕三个坐标轴的倾斜角度。
TEA CO_2 laser with pulse repetition frequency style can realize high average power, high repetition frequency. And it has great value in industry, national defense, scientific research and so on. With the continuous development of TEA CO_2 laser technology, the more applied in laser processing, laser lidar, laser pushing, laser transmission and laser chemistry. Also people have more and more demands for its function. For example, in order to study the matter’s effect on different wavelength with the same power, people need not only 10.6μm laser output but also 9.3μm laser output in laser interaction with matter research. So in order to improve the application scope and lay the foundation for future, it is necessary to do research on TEA CO_2 laser with two shift output coupling mirrors.
A new method to choose wavelength named“coating and selecting wavelength technology on output window”is proposed on the basis of traditional method’s deficiency. The 10.6/9.3μm coating curve is designed according to the detailed principle. And this method is proved correctly by experimental research. Also the two wavelength output coupling mirrors structure is designed based on this method.
The analysis has been done on the main structure through static analysis, dynamic analysis, thermal analysis and thermal-stress analysis by MSC. Patran/ Nastran software. Then optimize this structure to satisfy its precise specifications. At last the mirror tilt angle is required through the principle of least square method and homogeneous cordinate transformation method by MATLAB software.
本文基于传统波长选支方法不能满足输出高功率激光的不足,提出了新的波长选支输出技术——输出窗口镀膜选支技术,对该技术的原理进行了详细的介绍,应用该原理设计了10.6μm和9.3μm的镀膜特性曲线,并利用一台高重复频率高平均功率TEA CO_2激光器,进行了中心波长9.3μm和10.6μm激光的选支实验研究,在此基础上设计了双波长密闭免调切换窗口结构装置,实现了在一台激光器上密闭免调切换输出10.6μm和9.3μm两个中心波长的激光。
利用有限元软件MSC.Patran/Nastran对该切换移动平台组件进行静力学分析、模态分析、热应力分析及热力耦合分析。然后对该结构进行优化改进,使分析结果满足精度要求。并对改进后有限元分析结果中的镜面变形结果数据,基于齐次坐标变换原理和最小二乘法原理,使用MATLAB软件进行曲面拟合,得到整个镜面绕三个坐标轴的倾斜角度。
TEA CO_2 laser with pulse repetition frequency style can realize high average power, high repetition frequency. And it has great value in industry, national defense, scientific research and so on. With the continuous development of TEA CO_2 laser technology, the more applied in laser processing, laser lidar, laser pushing, laser transmission and laser chemistry. Also people have more and more demands for its function. For example, in order to study the matter’s effect on different wavelength with the same power, people need not only 10.6μm laser output but also 9.3μm laser output in laser interaction with matter research. So in order to improve the application scope and lay the foundation for future, it is necessary to do research on TEA CO_2 laser with two shift output coupling mirrors.
A new method to choose wavelength named“coating and selecting wavelength technology on output window”is proposed on the basis of traditional method’s deficiency. The 10.6/9.3μm coating curve is designed according to the detailed principle. And this method is proved correctly by experimental research. Also the two wavelength output coupling mirrors structure is designed based on this method.
The analysis has been done on the main structure through static analysis, dynamic analysis, thermal analysis and thermal-stress analysis by MSC. Patran/ Nastran software. Then optimize this structure to satisfy its precise specifications. At last the mirror tilt angle is required through the principle of least square method and homogeneous cordinate transformation method by MATLAB software.
引文
[1] C K N Patel.Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotatoional Transitions of CO2[J].Phys.Rev,1964,136(5A):1187—1193.
[2] C K N Patel et al.CW laser action on rotational transitions of the vibrational band of CO2[J].Amer.PHYS.Soc,1964,9(4):500—504.
[3] C K Patel.Interpretation of CO2 optical master experiments[J].Phys.REV.Lett,1964, 12(21):588—590.
[4]孙立宏.不断发展的CO2激光器[J] .激光技术与应用,2004,7:9—10.
[5]余震,缪宪文,文艺等.采用CO2激光器进行激光雕刻工艺研究[J] .机械工程师,2006, 6:41—43.
[6]杨厚德,王荣,杨祥林.CO2激光器及其在无线光通信中的应用[J] .光通信技术,2004, 5:52—54.
[7]余浩,刘永峰,姜宗福.高能启动CO2激光器在军事上的应用[J] .红外与激光工程, 2006,35(增刊):194—198.
[8]李适民等.激光器件原理与设计[M] .北京:国防工业出版社,1998.63—65.
[9]刘效勇.同空间三波长TEA CO2激光器的研究[D]. [硕士学位论文] .成都:四川大学电子信息学院,2007.
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[16]中国科学院上海光机所.五0一组.多节紫外光预电离TEA CO2激光器.研究报告集,第四集.1977.
[17]庄国良等.GW大功率CO2激光系统[J].中国激光,1990,17(6):321—325.
[18]林太基等.光栅选频单纵模35MW TEA CO2激光系统[J].中国激光,1986,13(1):25—28.
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[34]程永强.光栅选线TEA CO2激光快速调谐技术研究[D]. [硕士学位论文].北京:中国科学院电子学研究所,2006.
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[38]陈梅.可调谐TEA CO2序列带激光放大研究—设计、同步放电和寄生振荡抑制[D]. [硕士学文论文].成都:四川大学电子信息学院,2002.
[39]廖均梅,李育德,钟耿等.TEA CO2激光器序列带的输出特性[J].强激光与粒子束, 2008,20(2):323—325.
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