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光电汇@如何搭建一个CO2激光抛光玻璃系统？( 三 )


而反转粒子数达到很大时（其上能级积累时间一般等于激光工作物质的上能级寿命 ， 从而使上能级反转数粒子数能得到充分的积累） ， 当超声场中止对声光晶体的作用 ， 将没有衍射现象的产生 。 声光晶体仅起到透射激光的作用 ， 这时激光器的损耗很小 ， 振荡阈值减小到很低 ， 此时谐振腔处于低损耗高Q值得状态 。 相当于Q开关“打开”“关断”了一次 。 这时输出一个峰值功率很高 ， 脉宽很窄的调Q脉冲 。
在实验系统中使用的声光调制器可实现高重复频率调制（高达10 MHz） ， 且可在低电压（几十伏左右）下 ， 实现脉冲调制 ， 较为安全；但其缺点也较为明显 ， 调制时间长 ， 需配备专业冷水机 ， 且价格较为高昂 。

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？
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图4. 左图是光路系统中脉冲调制部分；右图是衍射光随调制信号的变化示意图
针对当前CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料时 ， 由于材料内部自由载流子浓度较低 ， 导致激光与透明晶体及玻璃等脆硬性材料相互作用时 ， 热影响区域与其他区域之间存在温度梯度 ， 产生不同的热应力 ， 使透明晶体及玻璃等脆硬性材料在压力的作用下出现裂纹与碎片 。
本实验系统中提出CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料时 ， 利用加热设备加热该脆硬性材料提高其内部的载流子浓度与活性 ， 通过调控晶体表面载流子浓度和晶格驰豫过程 ， 抑制库伦爆炸 ， 使其几乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收层被吸收并迅速转化为热能 。 可明显降低高重复频率的脉冲CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料时残留热应力对材料表面产生损伤 ， 出现裂纹与碎片的情况 ， 具有很好的加工效率 。

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图5 a. CO2激光抛光玻璃的振镜扫描系统；b. 振镜工作原理示意图；c. 抛光样品加热示意图

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图6. CO2激光对玻璃表面进行抛光的扫描系统与温控&运动控制系统示意图
高重复频率的脉冲CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料实验系统中成像系统部分如图6中虚线框中所示 ， 主要包括光学组合镜、聚焦物镜、照明系统与CCD成像元件等 ， 该系统设计工艺先进 ， 组合了平场复消色差、无限校正物镜 ， 可以极大限度的减小像差、并可以提供更长的工作距离和较高的分辨率 。
成像系统通过聚焦物镜将CO2激光光束进行会聚 ， 经过会聚后的激光光束在物镜焦点处会聚直径为百微米量级的光斑 ， 相应的激光的能量密度将会变的很大 ， 因此会聚光斑的尺寸对加工效果有重要的影响：
1）会聚光斑的尺寸直接影响烧蚀点的大小 ， 而烧蚀点的大小将决定其加工效率；
2）当激光能量一定的时候 ， 会聚光斑的尺寸直接影响激光脉冲的能量密度 ， 能量密度对透明晶体及玻璃等脆硬性材料的抛光效果有着重要影响 。
高重复频率的脉冲CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料实验系统的加工过程观测采用CCD实时成像 。 可以通过CCD观测系统实时监测样品的抛光过程与抛光效果 ， 以便实时调整加工参数 ， 改善抛光效果 。

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图7. CO2激光抛光玻璃表面光路中成像部分光路示意图
CO2激光抛光玻璃表面实验系统的建设目标
第一阶段：探索CO2激光与玻璃相互作用机理


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