專利名稱：一種提高大能量釹玻璃激光器重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種提高大能量釹玻璃激光器重復(fù)頻率和穩(wěn)定性 的方法和裝置。
背景技術(shù)：
自從第一臺紅寶石激光器誕生以來，熱效應(yīng)問題一直是固體激光器向高重復(fù)頻率、高光 束質(zhì)量、高功率的方向發(fā)展的主要技術(shù)障礙，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的進一步推廣以及應(yīng)用要求的進 一步提高，該問題目前己經(jīng)成為限制高能重復(fù)頻率固體激光器工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。在 高能重復(fù)頻率固體激光器中，由于增益介質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度分布產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)在激光器 的畸變中占據(jù)著主導(dǎo)地位。熱透鏡效應(yīng)是指在激光器運轉(zhuǎn)過程中，由于寬譜泵浦源和能級間 躍遷量子虧損在激光介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生大量廢熱下，激光介質(zhì)內(nèi)的熱積累和激光介質(zhì)外的冷卻過程 相結(jié)合，導(dǎo)致激光介質(zhì)橫截面上產(chǎn)生徑向溫度梯度，進而產(chǎn)生徑向折射率梯度，且中心折射 率高，邊緣折射率低，形成熱透鏡。熱透鏡效應(yīng)不僅會降低光束質(zhì)量和激光器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性， 且高功率密度激光束聚焦，會破壞光學(xué)元器件，降低設(shè)備運轉(zhuǎn)效率和增加設(shè)備運轉(zhuǎn)成本。在 激光沖擊強化技術(shù)中，為了使得激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力超過材料動態(tài)屈服強度，有效強化金 屬，要求激光器輸出光束通過聚焦后能夠產(chǎn)生功率密度為GW/cm2量級、持續(xù)時間l(Ts數(shù)量 級的激光光斑。因此，激光沖擊強化技術(shù)對激光器的基本要求是高能、短脈沖和重復(fù)頻率， 只有能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)于上述條件的激光器才能有效的用于工業(yè)應(yīng)用。
在相關(guān)發(fā)明專利"釹玻璃激光沖擊處理機"(中國專利，ZL專利號00112122.7，授權(quán) 公告號CN 1131325C)中，諧振腔輸出的多橫模疊加通過兩級放大器放大，最后通過導(dǎo)光 臂和光纖組合傳輸?shù)焦ぜ砻?，該設(shè)備只能工作于單次發(fā)射，兩次激光沖擊之間的間隔一般 要幾分鐘，這樣對于科研研究、工業(yè)化應(yīng)用來說效率太低；在專利"激光沖擊成形強化系統(tǒng)" (中國專利，專利公開號CN 101020944A)中，諧振腔輸出的多橫模光束通過放大器預(yù)先 放大，然后分為兩路分別通過兩級放大器放大，達到高能輸出，兩路激光束通過會聚透鏡同 時聚焦于同一點，產(chǎn)生高功率密度。由于它輸出光束只是簡單的會聚透鏡進行聚焦，聚焦的 光斑比較大，所以需要多路放大器同時工作才能達到所需的功率密度；另外該激光器是通過 放大器級數(shù)來提高輸出能量。該設(shè)備目前只能在頻率《0.5HZ下短時間運轉(zhuǎn)，長時間運轉(zhuǎn)時， 嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)導(dǎo)致激光工作介質(zhì)損壞，使得激光器不能正常運轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性比較差，因此該激光器目前多數(shù)工作于單次條件下，只能用于實驗研究，無法勝任工業(yè)應(yīng)用。美國利弗莫 爾實驗室發(fā)表的專利"STIMULATED BRILLOUIN SCATTERING MIRROR SYSTEM, HIGH POWER LASER AND LASER PEENING METHOD AND SYSTEM USING SAME"(美國專利，專利號2007/0024955 Al)中，主要是8次通過板條狀再生釹玻璃放大器來提高輸出能量，并利用受激布里淵散射 相位共軛技術(shù)來補償介質(zhì)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)，因此，該激光器巳經(jīng)以頻率5-IOHZ，輸出能量 25J的性能投入到工業(yè)應(yīng)用中。但是該激光器的造價太高，光路調(diào)節(jié)比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述發(fā)明存在的不足之處，本發(fā)明提出了一種降低大能量固體激光器激光介質(zhì)熱透 鏡效應(yīng)的影響，提高激光器重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的方法和裝置，使多路放大器在時序控制器的 作用下交替運行，有效提高了整個激光器系統(tǒng)的運行重復(fù)頻率；同時由于放大器工作介質(zhì)有 相對較多的冷卻時間，有效降低了放大器激光工作介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，提高整個激光器系統(tǒng) 工作穩(wěn)定性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的-
本發(fā)明所述的一種提高激光沖擊強化設(shè)備釹玻璃激光器的重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的裝置，包 括激光器光學(xué)系統(tǒng)、激光器電源與控制系統(tǒng)，激光器光學(xué)系統(tǒng)包括雙燈泵浦釹玻璃棒的電光 調(diào)Q釹玻璃振蕩器，可飽和吸收被動光隔離器、變焦擴束鏡、預(yù)放大器、變焦擴束鏡、兩個 正交放置的45°全反鏡、偏振器、90度偏振光束旋轉(zhuǎn)器、主放大器、0°全反射鏡；電光調(diào)Q振 蕩器包括依次組合的激光全反射鏡、KD * P普克爾盒、偏振器、激光工作介質(zhì)和輸出鏡； 可飽和吸收被動光隔離器位于所述電光調(diào)Q振蕩器的輸出鏡；在所述偏振器上設(shè)置有聚焦系 統(tǒng)，其特征在于其中所述兩個正交放置的45°全反鏡為兩組或多組，每組共用一45。全反鏡， 另一 45°全反鏡通過步進電機安裝在所述的激光器光學(xué)系統(tǒng)，所述每組兩個正交放置的45° 全反鏡對應(yīng)一路所述的主放大器。
所述的激光器電源與控制系統(tǒng)由放大器運行時序控制器、激光器電源控制器和步進電機 信號選擇器組成。
所述聚焦系統(tǒng)，是由兩個負透鏡和兩個正透鏡交錯組合成的兩組擴束鏡組成。 本發(fā)明所述的一種提高激光沖擊強化設(shè)備釹玻璃激光器的重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的方法，其 特征在于振蕩器輸出的多橫模激光束經(jīng)過預(yù)放大器預(yù)先放大后，在電源和控制系統(tǒng)作用下， 控制兩路或多路主放大器泵浦燈充放電的次序和時間間隔，使所述的兩路或者多路主放大器 工作時間錯開，將激光束輪流經(jīng)過兩路或者多路主放大器放大，最后通過聚焦系統(tǒng)聚焦在工 件表面上。在特定的泵浦條件、冷卻條件以及光學(xué)補償條件下，放大器工作時間小于激光工作介質(zhì) 產(chǎn)生的熱透鏡破壞激光器器件閾值時間的臨界值，以該時間閾值來確定每一路主放大器運行 的時間或者頻率，再根據(jù)放大器的路數(shù)來確定振蕩器和預(yù)先放大器的頻率。放大器運行的方 式有兩種1)各路主放大器運行重復(fù)頻率相同，振蕩器運行重復(fù)頻率是主放大器重復(fù)頻率 的數(shù)倍，倍數(shù)由放大器路數(shù)決定。在整個裝備運轉(zhuǎn)過程中，各路主放大器以同一頻率持續(xù)運 行，各路主放大器運行時間錯開；2)振蕩器和其中一路放大器以相同重復(fù)頻率同步運行， 當(dāng)運行時間足夠長所導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)達到單路放大器工作介質(zhì)破壞閾值時，該路放大器停 止運行，離線繼續(xù)冷卻，這里特指激光工作介質(zhì)運行時與停止運行時都是一直被冷卻的。與 此同時在控制系統(tǒng)作用下，激光光路轉(zhuǎn)換為振蕩器與另一路放大器以相同重復(fù)頻率同步運 行。如此往復(fù)，各路放大器離線繼續(xù)冷卻，循環(huán)工作。以該方式運行，激光介質(zhì)的冷卻時間 跟放大器的路數(shù)和激光介質(zhì)在一定的頻率下的熱承受范圍有關(guān)系，路數(shù)越多，冷卻時間越長， 熱效應(yīng)對于激光器的影響就大大降低了。每一路放大器工作的時間和工作次序通過時序控制 器來控制；變焦式擴束鏡主要有目鏡、目鏡座、物鏡、物鏡座等元件組成；在特定的泵浦條 件，冷卻條件，重復(fù)率等參數(shù)下，根據(jù)激光工作介質(zhì)產(chǎn)生的熱透鏡焦距，通過調(diào)節(jié)目鏡和物 鏡之間的距離可以起到補償作用。上述的聚焦系統(tǒng)主要是由兩個擴束鏡組成，即由兩個負透 鏡和兩個正透鏡組合而成的，它能夠大大的壓縮激光發(fā)散角，會聚成更小的光斑。單路放大 器運行比多路放大器同時運行時，激光輸出能量有所下降，但是通過聚焦系統(tǒng)將光斑聚焦的 更小，而激光功率密度跟光斑半徑的平方成反比，跟能量只是線性的關(guān)系，因此，會聚后的 激光功率密度也能達到激光沖擊強化要求。
該發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點
(1) 通過兩路或者多路放大器交替運行，提高了大能量釹玻璃激光器的重復(fù)頻率，實現(xiàn)將 整個裝備重復(fù)頻率至少提高一倍，頻率提高的倍數(shù)跟系統(tǒng)主放大器的路數(shù)成正比；
(2) 提高了激光器的穩(wěn)定性，放大器在所能承受的熱效應(yīng)范圍內(nèi)交替工作，降低了長時間 工作引起的熱透鏡破壞機率。


圖1是本發(fā)明所述以兩路主放大器為例的激光光路示意圖 圖2是電源和控制系統(tǒng)示意圖 圖3是聚焦系統(tǒng)
圖4是振蕩器與主放大器運行的時序關(guān)系圖 l:0。全反射鏡 2:1(0* 普克爾盒 3、 13、 14:偏振鏡 4:雙燈泵浦釹玻璃棒5:輸出鏡 6:隔離器 7、 9:自變焦擴束鏡 8:預(yù)放大器 10、 11、 12:45°全反射鏡 15、 16:90°偏振方向旋轉(zhuǎn)器 17、 18:主放大器 19、 20:0°全反射鏡 21、 22:聚焦系統(tǒng) 28、 30:負透鏡 29、 31:正透鏡
具體實施例方式
激光工作系統(tǒng)如圖l所示，圖中以兩路主放大器為例，雙燈泵浦釹玻璃棒4的電光調(diào)Q 釹玻璃振蕩器產(chǎn)生多橫模激光種子光輸出，中心波長^^1054nm，脈沖能量《2. 5J,脈沖寬度
在20ns左右，種子光通過可飽和吸收隔離器6，隔離放大的自發(fā)輻射(ASE)，然后進入變焦 擴束鏡7，擴束后進入雙燈泵浦的釹玻璃預(yù)放大器8，經(jīng)過預(yù)放大器8后可以輸出IOJ左右 的能量。預(yù)放大器8輸出的激光束經(jīng)過變焦擴束鏡9后，再通過兩個正交放置的45°全反鏡 10、 ll進入I路主放大器；預(yù)放大輸出的激光束經(jīng)過變焦擴束鏡9后，也可通過正交放置的 45°全反鏡10、 12進入II路主放大器。當(dāng)I路主放大器運行時，4f全反鏡12由步進電機信 號選擇器和步進電機控制平移至光路之外，當(dāng)II路主放大器運行時，45°全反鏡12由步進電 機信號選擇器和步進電機控制平移進入光路，使得激光束進入II路主放大器。I路主放大器 運行時，反射光束通過一塊偏振器13，其偏振方向與偏振器3的偏振方向是一致的；然后通 過一塊90°偏振光束旋轉(zhuǎn)器16，該旋轉(zhuǎn)器16只對正向入射的光束進行旋轉(zhuǎn)，按照圖1光束的 傳播方向，只旋轉(zhuǎn)右方入射的光束；然后經(jīng)過I路主放大器18放大，輸出光束被0°全反鏡 20反射，第二次進入主放大器18再次被放大，此時放大輸出的能量能達到20J左右。放大 的激光束通過旋轉(zhuǎn)器16,再通過偏振器13，此時光束的偏振方向與偏振器的方向相互垂直， 所以光束被反射出激光器系統(tǒng)，通過聚焦系統(tǒng)22聚焦在工件表面上。當(dāng)II路主放大器運行 時，通過步進電機信號選擇器和步進電機控制45°全反鏡12，移動其位置使光路與另一路主 放大器對準(zhǔn)，以同樣的方式運行該路放大器。通過放大器運行時序控制器控制激光器電源控 制器，通過步進電機信號選擇器與步進電機相結(jié)合來使得各路主放大器交替運行。 這里，兩路主放大器可以以兩種方式運行-
方式一，由圖4假設(shè)，振蕩器和預(yù)放大器8按照頻率32的方式運轉(zhuǎn)，主放大器18按照 33的時序方式運轉(zhuǎn)，主放大器17按照34的時序運轉(zhuǎn)，這樣兩路主放大器運行的頻率為諧振 腔運行頻率的一半，通過這種方式有效提高了主放大器17、 18的冷卻效果，降低了熱透鏡 效應(yīng)對整個重復(fù)頻率固體激光器系統(tǒng)的影響；這里兩路主放大器運行的時序是錯開的，主要 是通過主放大器運行時序控制器和步進電機信號選擇器控制45°全反鏡12相結(jié)合來實現(xiàn)的， (圖1中虛線12表示相應(yīng)45°全反鏡處于光路中，實線12表示相應(yīng)45°全反鏡平移至光路之 外)，主放大器18運行時，45°全反鏡12不在光路中，使得光束直接通過45°全反鏡11反射進入主放大器18,然后步進電機信號選擇器控制45°全反鏡12，給它一定的進程，讓45°全反鏡12移動到光路中(圖中虛線12的位置)，這樣主放大器17就開始運行，主放大器18停止運行。步進電機運行的時間是由兩路主放大器運行的頻率、步進電機移動的速度以及移動的進程決定的。
方式二，振蕩器與預(yù)先放大器8按照頻率32的方式運轉(zhuǎn)，主放大器18與振蕩器以同樣頻率同步運行到器件破壞的時間臨界值，然后步進電機信號選擇器控制45°全反鏡12，移動到相應(yīng)的位置，使得主放大器17開始工作，主放大器18停止工作繼續(xù)進行冷卻。如此往復(fù)，兩路主放大器輪流運行。
在上述方式中雖然只有一路主放大器工作，但是一路輸出的激光束通過聚焦系統(tǒng)可以聚焦到直徑2mm左右的光斑，產(chǎn)生的激光功率密度在30GW/cm2以上，誘導(dǎo)的沖擊波壓力大大超過材料塑性變形的壓力，滿足激光沖擊強化的要求。
這里是以兩路放大器為例的，也可以多路放大器按照上述兩種方式交替工作，路數(shù)越多，激光介質(zhì)的冷卻時間越長，熱透鏡效應(yīng)影響越低，激光器運行的頻率和穩(wěn)定性也越高。
權(quán)利要求
1.一種提高激光沖擊強化設(shè)備釹玻璃激光器的重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的裝置，包括激光器光學(xué)系統(tǒng)、激光器電源與控制系統(tǒng)，激光器光學(xué)系統(tǒng)包括雙燈泵浦釹玻璃棒(4)的電光調(diào)Q釹玻璃振蕩器、可飽和吸收被動光隔離器(6)、變焦擴束鏡(7)、預(yù)放大器(8)、變焦擴束鏡(9)、兩個正交放置的45°全反鏡(10、11)、偏振器(13)、90度偏振光束旋轉(zhuǎn)器(16)、主放大器(18)、0°全反射鏡(20)；電光調(diào)Q振蕩器包括依次組合的激光全反射鏡(1)、KD*P普克爾盒(2)、偏振器(3)、激光工作介質(zhì)和輸出鏡(5)；可飽和吸收被動光隔離器(6)位于所述電光調(diào)Q振蕩器的輸出鏡(5)；在所述偏振器(13)上設(shè)置有聚焦系統(tǒng)(22)，其特征在于其中所述兩個正交放置的45°全反鏡(10、11)為兩組或多組，每組共用一45°全反鏡(10)，另一45°全反鏡(11)通過步進電機安裝在所述的激光器光學(xué)系統(tǒng)，所述每組兩個正交放置的45°全反鏡(10、11)對應(yīng)一路所述的主放大器(18)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高激光沖擊強化設(shè)備釹玻璃激光器的重復(fù)頻率和穩(wěn)定 性的裝置，其特征在于所述的激光器電源與控制系統(tǒng)由放大器運行時序控制器、激光器 電源控制器和步進電機信號選擇器組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高激光沖擊強化設(shè)備釹玻璃激光器的重復(fù)頻率和穩(wěn)定 性的裝置，其特征在于所述聚焦系統(tǒng)，是由兩個負透鏡(28、 30)和兩個正透鏡(29、 31)交錯組合成的兩組擴束鏡組成。
4. 一種提高大能量釹玻璃固體激光器重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的方法，其特征在于振蕩器 輸出的多橫模激光束經(jīng)過預(yù)放大器預(yù)先放大后，在電源和控制系統(tǒng)作用下，控制兩路或多 路主放大器泵浦燈充放電的次序和時間間隔，使所述的兩路或者多路主放大器工作時間錯 開，將激光束輪流經(jīng)過兩路或者多路主放大器放大，最后通過聚焦系統(tǒng)聚焦在工件表面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種提高激光沖擊強化設(shè)備釹玻璃激光器的重復(fù)頻率和穩(wěn)定 性的方法，其特征在于振蕩器和其中一路主放大器以相同重復(fù)頻率同步運行，當(dāng)運行時間足夠長所導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)達到單路主放大器工作介質(zhì)破壞閾值時，由主放大器時序控 制和步進電機控制相結(jié)合，控制激光光路轉(zhuǎn)換為振蕩器與另一路主放大器以相同重復(fù)頻率 同步運行，如此往復(fù)，各路主放大器輪流離線冷卻，循環(huán)工作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種提高激光沖擊強化設(shè)備釹玻璃激光器的重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的方法，其特征在于振蕩器與各路主放大器重復(fù)頻率不同，各路主放大器重復(fù)頻率相同，振蕩器運行頻率是主放大器運行頻率的數(shù)倍，倍數(shù)等于放大器的路數(shù)，振蕩器和各路 主放大器持續(xù)運行，各路主放大器運行時間錯開。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光沖擊強化設(shè)備，特指一種提高大能量釹玻璃激光器重復(fù)頻率和穩(wěn)定性的方法和裝置。該裝置包括多模輸出的電光調(diào)Q釹玻璃振蕩器、隔離器、自變焦擴束鏡、兩組或多組兩個正交放置的45°全反鏡和與其相對應(yīng)的兩路或多路放大器、步進電機、聚焦系統(tǒng)以及電源和控制系統(tǒng)，其中電源和控制系統(tǒng)包括各路放大器運行的時序控制器、激光器電源控制器和步進電機信號選擇器。多路放大器在時序控制器的作用下交替運行，有效提高了整個激光器系統(tǒng)的運行重復(fù)頻率；同時由于放大器工作介質(zhì)有相對較多的冷卻時間，有效降低了放大器激光工作介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，提高整個激光器系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。該裝置可以用作激光沖擊強化設(shè)備。
文檔編號H01S3/11GK101604816SQ200910031739
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者葉云霞, 忠 吳, 姚紅兵, 張朝陽, 張永康, 管海兵, 錢曉明, 魯金忠 申請人:江蘇大學(xué)