为克服高能激光用相变致冷镜两次出光时间间隔长的缺点,设计了一种新型半导体致冷复合相变硅镜,并采用ANSYS有限元程序模拟了实心硅镜、相变镜和半导体致冷镜的光照热行为.由最大温度-时间曲线可知,在净吸收热量为100W、环境温度为20℃,制冷量为25W时,半导体致冷复合相变硅镜只需5s就可使镜体的温度和弹性变形恢复至初始状态.

为了获得均匀化、平顶的高功率激光束,设计了一种以平面镜为输出镜、凹面镜为全反镜的新型谐振腔结构,由于凹面镜的周期摆动使得输出光束强度分布得到一个时间上的均匀化,得到近似的“平顶”高斯型。建立了理论模型,并对该整形方式进行理论分析与数值模拟。理论计算和实验结果都表明,采用这种新型的整形方式,CO2激光器输出光束光强的空间分布得到了明显的均匀化。此方法避免了传统高功率激光光束整形的弊端,提高了系统的可靠性,简化了结构设计。

在高功率激光辐照下,激光腔镜的夹持方式对热变形和偏转有很大影响.在理论上,采用ANSYS软件计算了硅镜(φ80 mm×12.5 mm),在特定辐照条件(100 W,φ40 mm、均匀、同轴、5 s)下的不同夹持方式下的热变形,径向固定的热变形镜面峰谷值(0.109 3 μm)小于轴向固定的热变形峰谷值(0.138 8 μm),三点固定的(0.121 μm)介于二者之间.在实验上,硅镜(φ75 mm×12.5 mm)在特定辐照条件(100 W、光斑椭圆17 mm×20 mm,5 s)下,压圈法(径向固定)的热变形为0.32 μm,镜面倾斜角为0.63 μrad;压板法(轴向固定)的热变形0.49 μm,镜面倾斜角为0.28 μrad.当采用三点锥孔定位法时,通过干涉条纹可发现镜面偏转减少.

设计了三分支、螺旋形流道的硅基水冷镜结构,并利用ANSYS程序对流速1.6 m/s,水静压1.5×105 Pa时的水冷硅镜尺寸进行了优化设计,并模拟了该尺寸下的热变形情况.实验证明,对于直径80 mim的硅镜,在净吸收热量100w时,最大热变形为0.186μm,并可长时间维持该数值不变.光照停止,继续通水冷却时,在0.75 s内,镜面变形量恢复了0.063μm;10.5 s时,镜面变形量为0.038μm.结合上述二点,多层水冷硅基反射镜可在高功率激光中得到应用,可满足激光**的快速连发要求.

由傅里叶瞬态导热方程和弹性体应力-应变平衡方程入手,利用分离变量法和热弹性势法建立了晶体窗口在高能激光束照射下的瞬态温度分布、热变形和热应变分布关系式。并同时考虑温度折射率系数、厚度热变形和弹光系统的作用,得到了波长为1.315 μm的平面波光束透射氟化钙、氯化钾和熔石英这三种晶体窗口时产生的近场光束相位畸变分布。通过比较发现,窗口光束畸变是热变形、热透镜效应和弹光效应共同作用的结果,热透镜效应占主要因素,弹光效应可以忽略;熔石英具有正的折射率温度系数而产生正光束畸变,氯化钾和氟化钙为负的光束畸变,氟化钙具有最小的相位畸变峰谷值,优于其他二者,适于作为1.315 μm波长的窗口材料使用,氯化钾的光束畸变最严重。

镜体的结构决定了相变致冷镜抑制腔镜在高能激光辐照下的热变形的效果.比较不同结构形式的相变致冷镜镜面热变形的有限元软件计算结果,并通过一阶非线性优化方法,得到较优的放射状结构:硅基基体外径80mm,厚度12.5mm,光斑直径40mm,吸收功率密度为79.58kW/m²,当其最优沟槽深度为9.9mm,宽度为0.4mm时,光照10s时镜面热变形达到最小值0.37μm.

为了使高功率、大增益的CO2激光器光束均匀化,提出了一种新方法:在不增加插入损耗的前提下,利用平凹谐振腔中凹镜的曲率半径周期改变使激光光束的模式不断变化,从而使叠加的光束在时间上实现了光滑化处理.

针对高功率激光器中非均匀光斑热致变形导致光轴偏转的问题,提出用相变致冷镜作为腔镜来减小镜面变形峰谷值和角向偏转,在2kW连续二氧化碳激光器上进行了热变形和光束漂移实验.实验表明,与普通实心硅镜相比,相变致冷镜镜面温度分布更均匀,可有效地减小镜面偏转角和光斑中心漂移,提高远场光束质量.

分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点,采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力,并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析.发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大,镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法.

在研究飞行器对激光器的防破坏能力要求试验用激光器的功率及模式在实验过程中保持稳定,尤其是输出 光斑功率的均匀性。采用超薄水冷多层镜以有效减小镜面变形,改善光束质量和输出光斑均匀性。试验用超薄水 冷多层镜物理直径为φ8 mm,镜面厚度小于1 mm,在相同条件下热吸收变形仅为普通铜镜的1/40。