管板式大功率横流CO2激光横模测量及数值模拟

为了提高激光稳定性和激光加工质量,实验测量了大功率横流CO2激光横模,并理论分析了横模形成机理。针对大功率横流CO2激光器管板式电极结构,由麦克斯韦方程给出电场的横向分布,并通过数值计算得到了激光强度的横向分布。实验结果与数值模拟得到的激光能量分布基本一致。结果表明,在给定放电电压条件下,电极结构和气体流动速率决定了激光横模峰值大小,激光峰值的横向位置取决于气体流动的速率。     

优化封离型CO2激光工作气体的动力学机理研究

详细讨论了封离型CO₂激光器中CO₂，N₂和He三混合气 体含量被优化组合后的激光动力 学机理. 气体优化可以提高激光输出功率的主要机理是通过适当增加N₂含量， 使N₂激发 态与CO₂激光上能级的碰撞频率增加，提高了激光能级粒子数密度和相对布居数 . 同时， 适当减少CO₂含量，使总的电子动量输运碰撞频率减小、放电电流增大，导致增 加激光上转动能级的弛豫 关键词： 2激光')" href="#">CO₂激光 气体动力学 强化机理     

脉冲CO2激光烧蚀锡靶等离子体的数值研究

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO2激光烧蚀平面锡靶的过程,研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响,并结合统计分析得到最有利于产生13.5 nm 极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明,脉冲宽度为100~200 ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件,通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量,而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光,使得辐射极紫外等离子体持续时间更长,是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现,靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。     

基于TDLAS技术的海水中溶存CO2原位测量实验研究

海洋与大气交换的CO₂通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标,其估算方法主要依赖于海水中CO₂的测量。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）作为一种常用的气体浓度检测技术,因其具有较好的环境适应性、选择性和较高的灵敏度,亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO₂原位探测的可行性,将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合,实现了海水中溶存CO₂的原位探测。为适应水下的复杂环境,样机整体被设计为铝合金密封舱结构,具有良好的密封性、耐压性与耐腐蚀性。激光光源采用中心波数位于4 990 cm-1的DFB激光器,其波数扫描范围为4 992～4 994.5 cm-1,可覆盖CO₂在4 992.51和4 993.74 cm-1的相邻两条吸收谱线。渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X,可满足样机在深水区长期探测的目的。为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求,样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池,有效吸收光程可达8 m,内部仅需气体量24 mL,具有良好的吸收特性。在实验室对样机进行校正实验,使用样机对5种不同浓度(202.8×10-6,503×10-6,802×10-6,1 006×10-6和2 019×10-6)的标准CO₂气体进行测量,测量值与实际值的线性相关度R2高达99.94%,最大相对误差小于8%,减小了样机误差对测量值的影响。为评估样机长时间工作的稳定性,使用样机对浓度为802×10-6的标准CO₂气体进行了30 min的连续测量,平均测量浓度为802.6×10-6,其波动范围仅为10×10-6,样机精度约为0.5%,可满足水中溶存气体探测的要求。选取水深3米的近海码头进行试验,成功获得了24 h水中CO₂的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果,验证了样机水下工作的能力与稳定性。通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验,成功获取溶存CO₂的典型吸收光谱,证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。     

CO2激光作用下运动石英玻璃的温度分布

研究了运动石英玻璃板在CO2激光作用下的热效应,在考虑表面辐射和空气对流的情况下建立了数学模型,采用有限元软件ANSYS进行数值计算,得到了运动情况下石英玻璃的温度分布。比较了激光功率、光斑半径和运动速度对温度分布的影响,得到了温度分布与运动速度和激光参数之间的关系。结果显示石英玻璃板的表面温度随激光功率的增加而增加,随光斑半径、运动速度的增加而减小。     

CO2激光器五种混合气体压强优化

应用遗传算法,以输出激光功率为目标函数,优化确定了普通CO2激光器五种工作气体（CO2, N2, He, Xe, H2）的最佳充气量。对1.2m长谐振腔,在15kV放电条件下,优化的充气量分别为pCO2=1.15×133.3Pa, pN2=7.32×133.3Pa, pHe=12.95×133.3Pa, pXe=0.36×133.3Pa和pH2=0.01×133.3Pa。优化后激光功率比未优化前可提高1.27倍。     

CO2激光调Q技术

调Q技术是实现小型CO₂激光器短脉冲输出的重要手段,近年来随着短脉冲CO₂激光器在激光测距、测速、成像雷达、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用等领域应用需求的不断增长,激光调Q技术越来越受到国内外专家的关注而成为红外激光技术的研究热点之一。本文就目前用于CO₂激光器中实现短脉冲输出的5种主要调Q技术（机械调Q技术、电光调Q技术、声光调Q技术、被动调Q技术、复合调Q技术）的国内外发展历程和现状进行了综合评述,总结分析了各种方法的关键技术和存在的问题,并简要分析了该技术的未来发展趋势。     

V2CO2MXene从CO2/N2混合气体中选择性吸附CO2的第一性原理计算

二氧化碳作为温室气体中最重要的组成部分,其含量的变化将直接影响全球气候变化,在燃烧后气体中选择性捕获CO₂,对减缓因CO₂浓度过高引发的环境问题具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了V₂CO₂ MXene材料对CO₂的选择性吸附性能.首先研究了不同官能团V₂CT_X MXene材料的结构和性质,发现V₂CO₂具有良好的稳定性.后研究了V₂CO₂对CO₂的吸附行为,结果表明,当CO₂被水平吸附时,V₂CO₂对CO₂气体分子的吸附能力较强且均满足在高性能吸附剂表面吸附CO₂的理想值(-0.42 eV-0.82 eV),可以适用于探测/捕获CO₂气体分子.此外,进一步研究了相同条件下V<...     

光泵气体THz激光器用CO2泵浦源腔内光场模式

CO2泵浦源是光泵气体太赫兹激光器的核心器件之一,其性能直接关系到太赫兹激光器的工作稳定性。CO2泵浦源一般由闪耀光栅作为全反射尾镜,构成特殊的光栅腔实现波长的选支输出。采用传输矩阵的特征向量法对光栅谐振腔的腔内光场模式进行了理论分析与数值模拟,计算了光栅腔的一系列本征模式及相应的衍射损耗。结果表明光栅腔的腔内模式特性等效于一个平凹腔,而对于大菲涅尔数的光栅腔, Littrow波长的附近支线也可能具有衍射损耗较低的低阶模,可能优先于Littrow波长的高阶模起振,导致光栅腔的波长选择性降低。     

光泵气体THz激光器用CO2泵浦源腔内光场模式

CO2泵浦源是光泵气体太赫兹激光器的核心器件之一,其性能直接关系到太赫兹激光器的工作稳定性。CO2泵浦源一般由闪耀光栅作为全反射尾镜,构成特殊的光栅腔实现波长的选支输出。采用传输矩阵的特征向量法对光栅谐振腔的腔内光场模式进行了理论分析与数值模拟,计算了光栅腔的一系列本征模式及相应的衍射损耗。结果表明光栅腔的腔内模式特性等效于一个平凹腔,而对于大菲涅尔数的光栅腔, Littrow波长的附近支线也可能具有衍射损耗较低的低阶模,可能优先于Littrow波长的高阶模起振,导致光栅腔的波长选择性降低。     

Design and operation characteristics of a high power transverse flow pulser sustained cw CO2 laser

A transverse flow, transverse discharge cw CO₂ laser in which de discharge is sustained by employing high repetition rate high voltage pulses has been developed. Pulser sustained discharge through electrodes of innovative design provided uniform excitation at electrical input power densities more than 10 W/cc. Laser output power more than 2.5 kW was obtained in a laser gas mixture consisting of 0.5 mbar of CO₂, 16 mbar of N₂ and 38.5 mbar of He. Design details and operational characteristics of this laser are presented.     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明:随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1~2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°~45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

TEA CO2激光器非对称电极系统的电场分布

 设计了一种非对称电极,这种非对称电极的阳极是Chang电极或Ernst电极,阴极是由直线和圆弧构成的简单电极。通过比较和分析非对称电极和对称电极的特点发现,非对称电极系统中简单电极的边缘电场起伏最大。采用有限元方法计算了非对称电极系统中的简单电极取不同的直线长度和弧线半径时,非对称电极系统的电场分布,给出了选择非对称电极系统中的简单电极参数的依据。结果表明：这种非对称电极系统结合了解析电极和简单电极的优点,通过选择非对称电极系统的简单电极参数,它可以在TEA CO₂激光器中产生边缘电场起伏小于0.06,且满足电极表面均匀场面积宽度要求的电场。     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明：随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1 μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1～2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°～45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

高功率TEA CO2激光器气体循环系统的设计

阐述了气体循环系统对高功率TEA CO2激光器的重要作用,分析了系统参数、结构组成及其设计。以体积流量法确定放电区气体流速,采用对称式的结构布局,选用轴流压气机和板翅式热交换器,加入系统附加阻力以确定风机静压参数。研究出的气体循环系统,放电区气体平均流速84.8 m/s,流速不均匀度纵向4.2%、横向0.38%;光学支架振动加速度4×10-2 m/s2,振动位移2.6×10-7 m。在放电体积2.5×10-3 m3、单脉冲注入能量276 J、放电脉宽150 ns条件下,实现了重复频率400 Hz均匀稳定的持续辉光放电,输出了高平均功率激光。     

强激光远场光斑强度分布测量技术

准确测量激光远场光斑强度时空分布是分析强激光大气传输效应和评价激光系统性能的有效手段。概述了测量激光光斑强度分布的几种方法及其适用性,重点叙述了基于阵列探测法的强激光远场光斑强度分布测量技术,总结分析了量热阵列法、光电阵列法和量热/光电复合法等三类阵列探测系统应用特点。最后介绍了两种分别用于测量连续波高能激光和重频脉冲激光的光电阵列靶斑仪,系统具有结构紧凑的特点,能够满足运动靶目标上强激光参数测量要求。     

强激光远场光斑强度分布测量技术

准确测量激光远场光斑强度时空分布是分析强激光大气传输效应和评价激光系统性能的有效手段。概述了测量激光光斑强度分布的几种方法及其适用性,重点叙述了基于阵列探测法的强激光远场光斑强度分布测量技术,总结分析了量热阵列法、光电阵列法和量热/光电复合法等三类阵列探测系统应用特点。最后介绍了两种分别用于测量连续波高能激光和重频脉冲激光的光电阵列靶斑仪,系统具有结构紧凑的特点,能够满足运动靶目标上强激光参数测量要求。     

高功率CO_2激光器高反膜耦合窗热效应研究

为解决CO2激光器高反膜耦合窗在腔内高功率激光作用下产生的热效应问题,对耦合窗的温度场和热形变场进行了理论分析研究。通过谐振腔工作状态分析,首次提出了腔内振荡激光具有混合模式分布的表达式,并利用半解析热分析方法得出了在混合模式下耦合窗产生的温度场和热形变场的一般表达式,同时与将腔内激光分布作均匀分布、高斯分布假设下耦合窗的情况作了对比分析。研究结果,当腔内谐振功率为3800W、腔内激光混合模式分布时,耦合窗内表面中心最大热形变量约为0.91μm,作均匀分布、高斯分布假设分别造成最大热形变量偏小20.88%,偏大78.02%。     

相位板偏振偏转角对径向偏振光的梯度力分布的影响

研究了同心分区偏振偏转相位板对径向偏振光梯度力的调制效应。给出了相位板各部分偏振偏转角不同时,光学梯度力的分布情况。模拟结果表明:随着同心分区相位板各部分的半径和偏振旋转角的改变,光学梯度力方向及大小明显变化,且会产生许多可控的梯度力分布模式,可应用于微粒的收集、分离和合并。结果显示同心分区相位板对径向偏振光的调制可以用来生成可调光镊。