机载宽温域CO_(2)激光器温控方法

机载激光雷达是实现远距离大气精准监测的重要手段,CO_(2)激光器工作谱段与部分大气污染物和化学物质吸收谱一致,是大气监测激光雷达的重要光源。面向机载要求,在控制体积重量的条件下实现-40℃~55℃宽温域工作是机载CO_(2)激光器温控系统的设计难点。因此,本文提出一种以激光器性能和环境温度为设计输入,半导体热电制冷与强制风冷相结合的闭环温控方法。根据激光器、半导体热电制冷和强制风冷等的结构与传热特性,建立温控方法的有限元模型,基于此模型对激光器温控性能进行研究。对于55℃高温环境,温控系统工作25 min后,激光器温度控制在40℃;对于-40℃低温环境,温控系统在工作20 min后,激光器温度控制在25℃,满足激光器正常工作要求。根据激光器及建立的温控方法,开展高低温环境下激光器工作能力实验研究,采集实验过程中的激光器温度数据,测量高低温条件下激光输出能力。实验结果表明:实测激光器温度与有限元仿真温度数据基本吻合,两者误差小于10%;采用所提出的温控方法,激光器在高低温条件下可以正常工作,输出功率与室温条件下一致。

射频CO_(2)激光器在玻璃微流控芯片直写微流道探究

为探究采用射频CO_(2)激光器直写载玻片获得微流控芯片微流道的方法,通过光路仿真分析及优化获取理想光斑能量分布,并通过试验设计法研究每英寸点数(PPI)、加工速度、激光功率、加工次数等参数对微流道表面宽度和深度的影响,以及加工速度、激光功率和表面覆盖水膜对微流道加工形貌的影响。结果表明:微流道表面宽度、深度与激光功率、加工次数成线性关系;当PPI取2 000以上、速度取2 000 mm·s-1以上,且激光功率较低、加工表面干燥时,微流道表面较为平滑,崩边较少,加工质量较好。

射频板条CO_2激光器整形光路自适应调节研究

为了解决射频板条CO2激光器因安装或腔镜热畸变造成的光路偏移问题,采用外光路偏移补偿的方法对其进行校正。研究了基于压电陶瓷的偏移补偿装置,设计了压电陶瓷驱动电路,并分析了控制精度和自适应控制方法。结果表明,通过偏移补偿装置,激光输出功率在任何占空比下均可达到或超过标准参考功率值,并通过对比有无自适应调节,激光输出功率最大相差100W,且可保持激光输出功率在2h运行中波动小于2%。此项研究可保证激光器高效运行,提高激光器的输出功率和模式的稳定性,具有较大的实用价值。

紧凑型双路TEA CO_(2)激光器谐振腔热稳定性及补偿

通过实验和仿真的方法,研究了多点分布的内部热源加热作用对紧凑型双路TEA CO_(2)激光器谐振腔热稳定性的影响。采用直流风扇热交换抑制了高压电源的局部加热效应,通过调整热交换的效率,可在13~22℃环境温度范围内,使前后谐振腔镜受到的局部加热形变作用和环境温度引起的热胀冷缩作用基本抵消。为实现更宽温度范围的谐振腔稳定性,在有效热交换措施的基础上,根据模拟预测的形变规律,提出了谐振腔变形的角度补偿方法。使用传感器获得环境温度与设定初始环境温度的偏差,通过调整伺服电机步数实现对方位角的补偿,补偿值约0.28 step/℃,通过PZT促动器调整悬臂调谐结构末端位移,实现对俯仰角的补偿,补偿值约0.79μm/℃。

射频板条CO_2激光器放电特性的数值研究

给出了射频板条CO2激光器α型放电集总参数等效电路模型．计算了谐振放电状态下集总参数电路方程，得到了沿激光器电极长度方向上的电压幅度和相位的分布．沿电极最小的相对电压幅度起伏约为1．27％．由模型推导出用宏观测量参数表示的RLP和E／Pgas的计算公式，不同于RalfMalz的结果．建立了射频板条CO2激光器的实验装置，获得了均匀射频放电和CO2激光．

3kW射频板条CO_2激光器抛物面非稳波导腔研究

为了提高传统球面镜腔3k W射频板条CO_2激光器光束质量,设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔;结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法,研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响;利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明,将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R_1=951.32mm和R_2=1088.68mm的抛物镜面,能够避免尾镜漏光,可有效改善模式鉴别特性;常用波导电极镀膜材料中,镀铝电极内波导方向传输损耗最小,传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。

3kW射频板条CO_2激光器功率稳定性的研究

为了解决3k W射频板条CO2激光器在高功率工作条件下功率波动的问题,采用外光路转折镜调节方法对腔镜热畸变造成的光路偏移进行补偿。研究了基于芯片TMS320LF2407的脉宽调制器控制激光器注入功率的关键技术,设计了整形光路尾镜取样功率检测系统,并分析了外光路自适应调节系统的补偿原理。结果表明,整形光路尾镜取样功率检测系统与基准功率计的最大误差为±2.59%,其具有高线性度;采用PA 100/T 14型压电陶瓷微位移驱动器,对微动距离不超过54μm的自适应调节转折镜进行调节补偿,光束偏移不会超出空间滤波器的0.8mm狭缝宽度;调节补偿前后输出功率波动由18%降到2%,达到了由于腔镜热变形导致光束偏移的补偿要求,整形光束的旁瓣消失,获得最佳模式输出。此项研究对提高激光器输出功率稳定性具有一定的实用价值。

9.3μm射频激励板条波导CO_2激光器的研究

为了得到9.3μm的激光输出,采用比较5种CO_2同位素气体小信号增益系数的方法,进行了理论分析。选择同位素气体12C18O2作为射频激励板条波导CO_2激光器的工作介质,进行了实验验证,得到了9.3μm的激光输出;并对激光器的工作气压进行优化,在10.00k Pa的工作气压下,得到了最大96W的功率输出。结果表明,12C18O2的中心波长在9.3μm附近,且可得到高功率的激光输出。该研究有利于9.3μm CO_2激光器的国产化,以及提高核心部件的国产化率。

紧凑型波长自动调谐脉冲CO_(2)激光器

面向机载激光差分吸收雷达对小型轻量化激光光源的应用需求,研制了紧凑型自动调谐脉冲CO_(2)激光器。首先,研究了射频波导腔内光束和自由空间光学斩波光束孔径匹配关系,设计了具有实焦点的腔内光束变换系统,实验验证了斩波器通光孔径对激光脉冲波形的影响。其次,研究了CO_(2)激光器的波长调谐特性,分析了相邻激光谱线光栅衍射角度差,并基于高精度电动转台和金属闪耀光栅,实现了CO_(2)激光器波长自动调谐输出。最后,基于小型轻量化模块设计,完成了紧凑型自动调谐脉冲CO_(2)激光器集成。实验结果表明,该激光器在1 kHz条件下运转稳定,脉冲宽度为350 ns,峰值功率为3.7 kW,在9.2~10.7μm范围内测试到30条激光谱线,重量为18 kg,本文研究为机载激光差分吸收雷达提供了一种小型化探测光源。

射频激励金属板条波导CO2激光器的功率输出特性

为了获得较高的激光输出功率,介绍了射频激励扩散冷却全金属板条波导CO2激光器,放电区域由左右两个铝合金壁和上下两个铝合金电极构成,放电区域高2 mm,宽20 mm,长386 mm,工作气体混合比CO2:N2:He:Xe=1:1:3:0.26,该技术代替了过去的金属陶瓷结构,结合纵向电压均匀分布技术和面增比技术,获得了127 W的激光输出功率,光电转换效率高达14%。实验中,照相机放在激光器的纵向轴心上,清楚地记录了CO2激光器的放电现象。实验结果表明,该激光器小信号增益1%/cm,饱和光强1 200 W/cm2,促进了CO2激光器的发展。

高功率CO_(2)激光器CVD金刚石窗口制备研究

本文研究制备了可应用于高功率CO_(2)激光器的CVD金刚石窗口。首先使用环形天线-椭球谐振腔式MPCVD装置沉积制备直径2英寸(1英寸=2.54 cm)金刚石自支撑膜,然后将膜片双面抛光,激光切割成矩形基片,再采用蒸镀法在基片表面制备中心波长在10.6μm的增透膜,最终制备得到金刚石光学窗口。采用傅里叶红外透射谱、热导仪、爆破试验台测试了金刚石基片镀膜前后的红外透过率、热导率和爆破强度。利用自行搭建的光学平台,测试了CVD金刚石基片增透膜能承受的激光功率密度。结果显示CVD金刚石基片在10.6μm处的透过率为70.9%,利用光谱计算的吸收系数为0.06 cm^(-1),热导率>19.5 W/(cm·K),爆破强度>5.62 MPa,镀膜后的透过率为99.2%,增透膜可承受的激光功率密度>995 W/mm2。

基于CO_(2)激光器印花圆网清洗装置设计

针对印花圆网常规回收再利用存在成本高、效率低和污染大的问题,设计了一种基于CO_(2)激光器的印花圆网清洗装置。设计折叠式谐振腔CO_(2)激光器并进行了清洗测试,应用三维软件进行清洗装置总体结构设计,利用有限元软件Workbench对其进行静力分析和模态分析,获得清洗装置机架和传动机构的应力图、应变图及前三阶固有频率和振型。结果显示,机架最大应力集中在后侧横梁连接处,最大值为8.47 MPa,小于结构钢屈服强度;机架和丝杠一阶固有频率分别为27.53 Hz和82.07 Hz,大于激振频率23.7 Hz,验证了清洗装置设计的合理性。基于西门子S7-1200设计了自动控制系统,为清洗装置的生产制造提供了技术支持。

板条波导CO2激光器的脉冲输出及声光调制特性研究

研究了射频激励板条波导CO2激光器输出光束的质量特性和脉冲特性．给出实验结果。分析表明其具有优良的光束质量特性．而其时问脉冲特性与放电脉冲的重复频率和持续时间有关。进一步实验表明，采用声光调制器可获得所需的脉宽和波形调制．但往往伴随波束畸变和光束质量变差且与激光输入功率有关。

几种CO_2激光切雕机光开关的设计与研究

设计与研究了几种用于ＣＯ２激光切雕机的光开关，并对其性能进行了讨论和比较。

熔石英光学元件CO_(2)激光条形码制备研究

分别采用连续CO_(2)激光和脉冲CO_(2)激光在熔石英元件表面制备条形码。采用连续CO_(2)激光制备的线条内部表面光滑,光散射信号极弱,但边缘有大范围的烧伤沉积物,展现出较强的光散射信号,不能形成满足条形码要求的散射光强度分布。采用脉冲CO_(2)激光扫描制备的条形码扫描线条可以形成整体较均匀的光散射信号,散射光强度分布满足条形码要求,并可以被商用条码扫描器识别。

德商罗芬激光技术（上海）有限公司：Rofin DC系列激光器

Rofin集团是全球工业材料加工用激光器及激光加工系统的领导者，推出的Rofin DC系列（1KW-8KW）采用扩散冷却技术的C02板条激光器（Diffusion—Cooled CO2 Slab Laser），被公认为第三代CO2激光器，优秀的光束品质、极低的气体消耗及运行成本，成为金属材料高速切割、焊接的首选激光器。

大功率射频板条CO_(2)激光器

大功率射频板条CO_(2)激光器曾经是深熔焊接、切割的主力光源,目前主要用于超大规模集成电路晶圆退火。华中科技大学于2007年就开始了大功率射频板条CO_(2)激光器的研发,并进行大量的理论研究和产业化工作。本文介绍了射频板条CO_(2)激光器的国内外发展动态;重点分析了激光器的结构设计、(板条)面积放大、扩散冷却、激励电源、射频传输、阻抗匹配、射频气体放电等离子体、放电均匀性、电极热效应、非稳-波导混合腔、激光功率提取、输出光束特性、光束整形等核心技术;展望了射频板条CO_(2)激光器在超大规模集成电路晶圆激光退火中的重要创新应用。

2kW射频板条CO_2激光器输出光束整形特性研究

针对2kW射频板条CO2激光器离轴负支非稳波导混合腔的近场分布存在较多高空间频率分量,导致聚焦后会产生不可忽略的旁瓣,无法直接应用于激光加工的问题,对谐振腔的近场分布使用特征向量法和矩形波导的解析表达式进行了数值模拟和实验研究。并结合Collins公式研究了输出光束整形过程中光场分布的变化和整形系统中空间滤波器的优化设计。理论和实验结果表明:激光器输出光束在整形前为有较多高空间频率振荡的长条形的简单象散光束。通过带空间滤波器的整形系统消除旁瓣,并将初始的长条形的简单象散光束整形成近圆形、近基模高斯分布的光束。整形后的光束非稳方向的光束质量因子M2为1.1,波导方向M2为1.08。

高重复频率、窄脉冲声光调Q射频波导CO_(2)激光器

为实现高重复频率、窄脉冲激光输出,研制了一台声光调Q射频波导CO_(2)激光器。首先,采用矩形波导耦合损耗理论分析了波导耦合效率与全反镜曲率半径、全反镜到波导口距离的关系,获得了波导耦合损耗较小时的优化参数。其次,研究了工作气压与激光输出的关系,以及脉冲拖尾长度与Q开关开启时间的关系。当工作气压为6.5 kPa,Q开关开启时间为0.6μs时,获得了无拖尾脉冲波形,并分析了峰值功率、平均功率、脉宽等参数随重复频率的变化规律。设计的激光器可实现重复频率1 Hz~100 kHz可调。当Q开关开启时间为0.6μs、重复频率为1 kHz时,获得的脉冲宽度为108.2 ns,峰值功率为2809.6 W;当重复频率为100 kHz时,脉宽为135.1 ns,峰值功率为257 W。当重复频率为70 kHz时,测得x和y方向上的光束质量因子分别为1.50和1.21。

大功率射频板条CO_2激光器电极波导介质膜研究

针对高功率射频板条CO2激光器铜电极表面放电氧化、受射频放电的电子溅射,致使电极表面不光滑,辉光放电不均匀,光波导损耗严重等问题。利用Al2O3波导介质膜具有的反常色散效应、耐高温能力强的特点,采用磁控溅射镀膜技术对激光器电极表面先镀Al,而后阳极氧化获得Al2O3波导介质膜。分析了磁控溅射工艺对膜层结构的影响,测量了镀膜电极对CO2激光的反射率,并进行了放电实验检测。结果表明,溅射功率为250 W时可得到致密的镀膜层结构;厚度6μm的Al2O3薄膜,对波长10.6μm的CO2激光波导反射率最高达75%;电极镀膜后激光器输出功率在占空比为30%时为700 W,占空比为60%时达到了1300 W。