本文研究制备了可应用于高功率CO2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10.6 μm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10.6 μm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。

为了解决高功率轴快流CO2激光器设计中的主要问题——清除激活区热量,采用对流冷却的方法,分析了高功率轴快流CO2激光器的内部循环热交换过程,建立了热量的平衡方程;同时针对高功率激光器热负荷量大、总体结构受限、风机特定的工作特点,分析比较各类换热器的换热特性并最终选择结构紧凑、换热系数高、流阻小的矩形翅片圆管束换热器作为激光器的散热部件,最后针对研制中的7kW轴快流CO2激光器进行了换热器的设计和换热计算,得到可以实现37.4kW的换热量的结果。结果表明,选用的换热器能满足所设计的轴快流CO2激光器的换热要求。

用激光光束分析仪实时在线测量了一台连续运转的高功率横流CO2激光器的激光横模,获得了较为完整的激光横模随时间的变化关系。测量结果表明,激光输出由两个分离的、非对称的高阶横模叠加组成(“双模”),两横模中心相距约8 mm。形成“双模”的原因是串接式谐振腔的前腔和后腔两者的中心轴线不重合以及阴极铜管形变。横模随激光器运行时间的延长而逐步蜕化,呈更高阶和复杂化趋向。初步分析表明,横模的时间变化主要与激光器连续运转过程中腔内气体组分发生的变化有关。

采用高功率横流CO2激光扫描钎料合金与金刚石颗粒。研究了激光工艺参数对钎焊层结合性能及金刚石热损伤的影响,分析了钎焊层与金刚石结合机制及金刚石颗粒在激光作用下的热损伤机制。研究结果表明,激光功率和扫描速度是影响金刚石热损伤及表面浸润的主要因素。在氩气保护下,粉末厚度为0.5 mm,激光光斑直径3 mm,功率为800 W,扫描速度为8.39 mm/s时,可获得金刚石颗粒、钎料合金、金属基体三者具有最佳结合性能的钎焊层。合金粉末对金刚石颗粒浸润良好,并发生冶金化学反应,生成TiC和SiC。当激光输入能量太高时,金刚石颗粒开始与外界的氧发生氧化反应,在自由能方程中的气体分压下,金刚石一直氧化,直到与氧化物处于平衡状态。这一过程表现为金刚石颗粒石墨化,逐步氧化烧损变成气体。

高功率CO2激光器输出窗不可避免地要吸收谐振腔的激光能量,在其内部产生非均匀温度场的分布,并引起输出窗发生热形变.输出窗的热效应改变了CO2激光器谐振腔的品质因数,影响激光器的稳定性和输出光束的质量.对于输出窗准确的温度场和热形变场研究是解决热透镜效应的关键.利用半解析方法对CO2激光器在TEM00工作模式下,输出窗的温度场及热形变量场进行研究.研究方法和所得结论具有普适性,可以应用到其它具有轴对称性热模型产生的温度场、热形变分析工作中.