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光电汇@如何搭建一个CO2激光抛光玻璃系统？( 二 )



光电汇@如何搭建一个CO2激光抛光玻璃系统？
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图1. CO2激光对玻璃表面进行抛光的光路示意图
实验所用激光器为相干公司生产的Cx-10L 10.6连续CO2激光器 ， 典型的输出功率≥135 W ， 功率稳定性为±2% ， 光束质量M2≤1.2 ， 光斑直径为1.8±2 mm ， 偏振为现在线偏振 ， 具有较好的功率稳定性和光束质量 。
激光器无法设定其激光功率 ， 所以通过在光路中加入连续衰减片、半波片与格兰泰勒棱镜来实现CO2激光器功率的连续调节 。 由硒化锌材料制备的光学元件 ， 经过设计与组合 ， 使入射光束与格兰泰勒棱镜形成布鲁斯特角 。 在半波片与格兰泰勒棱镜上 ， 所有P偏振分量都会透射过去 ， 而大部分S偏振分量则会被反射 。 其结果是 ， 当光束通过半波片与格兰泰勒棱镜后 ， 就只剩下P偏振光了 。 出射光的偏振方向受半波片与格兰泰勒棱镜调制 ， 相对于入射光偏转了θ角 ， 出射光功率为入射光的COS 2(θ)倍 。
为了提高加工效率 ， CO2激光在玻璃材料表面加工微纳结构的光路中加入了扩束系统 ， 将2 mm左右的光斑扩束至10 mm左右 ， 增大了单次的加工面积 ， 提高了加工效率 。 在加工光路中还加入了自带聚焦镜的光束整形器 ，聚焦型光束整形器是典型的衍射光学元件之一（DOE） ， 用于将近高斯入射的激光光斑整形转换为圆形、矩形、正方形、直线或其他形状的均匀光斑 ， 使光斑的能量分布得到均匀的处理 ， 也可称为平顶光、平顶帽式光斑 ， 这个特性用于激光加工可以防止特定区域过度曝光或曝光不足 。
此外 ， 形成的平顶光斑创造了一个尖锐的过渡区 ， 清晰的区分了处理和未处理区域之间的边界 。 具有非常好的均匀性、光斑边缘锐利与高损伤阈值等特性的光束整形器 ， 可适用于大功率激光器、任意光束形状的调制以及覆盖紫外到红外的所有激光波段 。 推动了CO2激光器在激光打孔、激光切割、激光烧蚀与激光微纳结构加工等方面的应用 。

光电汇@如何搭建一个CO2激光抛光玻璃系统？
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【光电汇@如何搭建一个CO2激光抛光玻璃系统？】图2. CO2激光对玻璃表面进行抛光的光束整形系统示意图

光电汇@如何搭建一个CO2激光抛光玻璃系统？
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图3.左图是CO2激光扩束效果示意图；右图是DOE对CO2激光的整形效果示意图
在本次的实验系统设计中 ， 由于在CO2激光器中没有内置声光调制晶体 ， 因此在加工光路中加入了专为工业应用领域的CO2激光器的强度控制/调制而设计的单通道红外声光调制器 。 该声光调制器的工作介质是单晶锗 ， 通光孔径为9.6 mm ， 工作波长为10.6 μm ， 可承受最大光学功率密度为15 W/mm2 ， 其衍射效率可高达90%以上 ， 还配套驱动电源 。 该调制器冷却水道全部采用不锈钢镀镆,保证其耐腐蚀性能超强 ， 在保持最佳的性能的同时功率承受能力在100 W以上 。 结合优化级锗单晶高质量光学加工和抗反射涂层 ， 使其具有高效的光传输和衍射效率 ， 可实现对随折射率快速变化的温升快速有效的冷却 。
声波是一种弹性波 ， 当它在介质中传播时 ， 会使介质产生相应的弹性形变 ， 从而使介质中各质点随声波传播方向振动而振动 ， 引起介质中各部分疏密程度不一致 ， 则介质的折射率也会因疏密程度的不同 ， 发生相应的改变 。
超声场的作用如同一个光学“相位光栅” ， 其光栅常数即为声波波长 。 光波通过介质时会产生衍射现象 ， 衍射光的各种性质都取决于超声场的性质 。 将声光晶体放置入腔内 ， 当有超声场作用时 ， 入射光产生衍射 ， 衍射光溢出腔外 ， 光强减弱 ， 无法形成振荡 。 相当于将激光器的振荡阈值提高 ， 抑制了激光振荡 ， 但使上能级的反转粒子数尽可能的积累 ， 此时谐振腔处于高损耗低Q值的状态 。


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