CN101604816A - 一种提高大能量钕玻璃激光器重复频率和稳定性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光冲击强化设备，特指一种提高大能量钕玻璃激光器重复频率和稳定性的方法和装置。该装置包括多模输出的电光调Q钕玻璃振荡器、隔离器、自变焦扩束镜、两组或多组两个正交放置的45°全反镜和与其相对应的两路或多路放大器、步进电机、聚焦系统以及电源和控制系统，其中电源和控制系统包括各路放大器运行的时序控制器、激光器电源控制器和步进电机信号选择器。多路放大器在时序控制器的作用下交替运行，有效提高了整个激光器系统的运行重复频率；同时由于放大器工作介质有相对较多的冷却时间，有效降低了放大器激光工作介质的热透镜效应，提高整个激光器系统工作稳定性。该装置可以用作激光冲击强化设备。

Description

一种提高大能量钕玻璃激光器重复频率和稳定性的方法和装置

技术领域

本发明涉及强激光应用技术领域，特指一种提高大能量钕玻璃激光器重复频率和稳定性的方法和装置。

背景技术

自从第一台红宝石激光器诞生以来，热效应问题一直是固体激光器向高重复频率、高光束质量、高功率的方向发展的主要技术障碍，随着应用领域的进一步推广以及应用要求的进一步提高，该问题目前已经成为限制高能重复频率固体激光器工业应用的关键瓶颈之一。在高能重复频率固体激光器中，由于增益介质内部的温度梯度分布产生的热透镜效应在激光器的畸变中占据着主导地位。热透镜效应是指在激光器运转过程中，由于宽谱泵浦源和能级间跃迁量子亏损在激光介质内产生大量废热下，激光介质内的热积累和激光介质外的冷却过程相结合，导致激光介质横截面上产生径向温度梯度，进而产生径向折射率梯度，且中心折射率高，边缘折射率低，形成热透镜。热透镜效应不仅会降低光束质量和激光器运转稳定性，且高功率密度激光束聚焦，会破坏光学元器件，降低设备运转效率和增加设备运转成本。在激光冲击强化技术中，为了使得激光诱导的冲击波压力超过材料动态屈服强度，有效强化金属，要求激光器输出光束通过聚焦后能够产生功率密度为GW/cm²量级、持续时间10^-9s数量级的激光光斑。因此，激光冲击强化技术对激光器的基本要求是：高能、短脉冲和重复频率，只有能够稳定运转于上述条件的激光器才能有效的用于工业应用。

在相关发明专利“钕玻璃激光冲击处理机”(中国专利，ZL专利号：00112122.7，授权公告号：CN 1131325C)中，谐振腔输出的多横模叠加通过两级放大器放大，最后通过导光臂和光纤组合传输到工件表面，该设备只能工作于单次发射，两次激光冲击之间的间隔一般要几分钟，这样对于科研研究、工业化应用来说效率太低；在专利“激光冲击成形强化系统”(中国专利，专利公开号：CN 101020944A)中，谐振腔输出的多横模光束通过放大器预先放大，然后分为两路分别通过两级放大器放大，达到高能输出，两路激光束通过会聚透镜同时聚焦于同一点，产生高功率密度。由于它输出光束只是简单的会聚透镜进行聚焦，聚焦的光斑比较大，所以需要多路放大器同时工作才能达到所需的功率密度；另外该激光器是通过放大器级数来提高输出能量。该设备目前只能在频率≤0.5HZ下短时间运转，长时间运转时，严重的热透镜效应导致激光工作介质损坏，使得激光器不能正常运转，稳定性比较差，因此该激光器目前多数工作于单次条件下，只能用于实验研究，无法胜任工业应用。美国利弗莫尔实验室发表的专利“STIMULATED BRILLOUIN SCATTERING MIRROR SYSTEM，HIGH POWER LASERAND LASER PEENING METHOD AND SYSTEM USING SAME”(美国专利，专利号：2007/0024955A1)中，主要是8次通过板条状再生钕玻璃放大器来提高输出能量，并利用受激布里渊散射相位共轭技术来补偿介质产生的热透镜效应，因此，该激光器已经以频率5-10HZ，输出能量25J的性能投入到工业应用中。但是该激光器的造价太高，光路调节比较复杂。

发明内容

根据上述发明存在的不足之处，本发明提出了一种降低大能量固体激光器激光介质热透镜效应的影响，提高激光器重复频率和稳定性的方法和装置，使多路放大器在时序控制器的作用下交替运行，有效提高了整个激光器系统的运行重复频率；同时由于放大器工作介质有相对较多的冷却时间，有效降低了放大器激光工作介质的热透镜效应，提高整个激光器系统工作稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的一种提高激光冲击强化设备钕玻璃激光器的重复频率和稳定性的装置，包括激光器光学系统、激光器电源与控制系统，激光器光学系统包括双灯泵浦钕玻璃棒的电光调Q钕玻璃振荡器，可饱和吸收被动光隔离器、变焦扩束镜、预放大器、变焦扩束镜、两个正交放置的45°全反镜、偏振器、90度偏振光束旋转器、主放大器、0°全反射镜；电光调Q振荡器包括依次组合的激光全反射镜、KD*P普克尔盒、偏振器、激光工作介质和输出镜；可饱和吸收被动光隔离器位于所述电光调Q振荡器的输出镜；在所述偏振器上设置有聚焦系统，其特征在于：其中所述两个正交放置的45°全反镜为两组或多组，每组共用一45°全反镜，另一45°全反镜通过步进电机安装在所述的激光器光学系统，所述每组两个正交放置的45°全反镜对应一路所述的主放大器。

所述的激光器电源与控制系统由放大器运行时序控制器、激光器电源控制器和步进电机信号选择器组成。

所述聚焦系统，是由两个负透镜和两个正透镜交错组合成的两组扩束镜组成。

本发明所述的一种提高激光冲击强化设备钕玻璃激光器的重复频率和稳定性的方法，其特征在于：振荡器输出的多横模激光束经过预放大器预先放大后，在电源和控制系统作用下，控制两路或多路主放大器泵浦灯充放电的次序和时间间隔，使所述的两路或者多路主放大器工作时间错开，将激光束轮流经过两路或者多路主放大器放大，最后通过聚焦系统聚焦在工件表面上。

在特定的泵浦条件、冷却条件以及光学补偿条件下，放大器工作时间小于激光工作介质产生的热透镜破坏激光器器件阈值时间的临界值，以该时间阈值来确定每一路主放大器运行的时间或者频率，再根据放大器的路数来确定振荡器和预先放大器的频率。放大器运行的方式有两种：1)各路主放大器运行重复频率相同，振荡器运行重复频率是主放大器重复频率的数倍，倍数由放大器路数决定。在整个装备运转过程中，各路主放大器以同一频率持续运行，各路主放大器运行时间错开；2)振荡器和其中一路放大器以相同重复频率同步运行，当运行时间足够长所导致的热透镜效应达到单路放大器工作介质破坏阈值时，该路放大器停止运行，离线继续冷却，这里特指激光工作介质运行时与停止运行时都是一直被冷却的。与此同时在控制系统作用下，激光光路转换为振荡器与另一路放大器以相同重复频率同步运行。如此往复，各路放大器离线继续冷却，循环工作。以该方式运行，激光介质的冷却时间跟放大器的路数和激光介质在一定的频率下的热承受范围有关系，路数越多，冷却时间越长，热效应对于激光器的影响就大大降低了。每一路放大器工作的时间和工作次序通过时序控制器来控制；变焦式扩束镜主要有目镜、目镜座、物镜、物镜座等元件组成；在特定的泵浦条件，冷却条件，重复率等参数下，根据激光工作介质产生的热透镜焦距，通过调节目镜和物镜之间的距离可以起到补偿作用。上述的聚焦系统主要是由两个扩束镜组成，即由两个负透镜和两个正透镜组合而成的，它能够大大的压缩激光发散角，会聚成更小的光斑。单路放大器运行比多路放大器同时运行时，激光输出能量有所下降，但是通过聚焦系统将光斑聚焦的更小，而激光功率密度跟光斑半径的平方成反比，跟能量只是线性的关系，因此，会聚后的激光功率密度也能达到激光冲击强化要求。

该发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过两路或者多路放大器交替运行，提高了大能量钕玻璃激光器的重复频率，实现将整个装备重复频率至少提高一倍，频率提高的倍数跟系统主放大器的路数成正比；

(2)提高了激光器的稳定性，放大器在所能承受的热效应范围内交替工作，降低了长时间工作引起的热透镜破坏机率。

附图说明

图1是本发明所述以两路主放大器为例的激光光路示意图

图2是电源和控制系统示意图

图3是聚焦系统

图4是振荡器与主放大器运行的时序关系图

1：0°全反射镜  2：KD*P普克尔盒  3、13、14：偏振镜  4：双灯泵浦钕玻璃棒5：输出镜  6：隔离器  7、9：自变焦扩束镜  8：预放大器  10、11、12：45°全反射镜15、16：90°偏振方向旋转器  17、18：主放大器  19、20：0°全反射镜  21、22：聚焦系统28、30：负透镜  29、31：正透镜

具体实施方式

激光工作系统如图1所示，图中以两路主放大器为例，双灯泵浦钕玻璃棒4的电光调Q钕玻璃振荡器产生多横模激光种子光输出，中心波长λ₀＝1054nm，脉冲能量≤2.5J，脉冲宽度在20ns左右，种子光通过可饱和吸收隔离器6，隔离放大的自发辐射(ASE)，然后进入变焦扩束镜7，扩束后进入双灯泵浦的钕玻璃预放大器8，经过预放大器8后可以输出10J左右的能量。预放大器8输出的激光束经过变焦扩束镜9后，再通过两个正交放置的45°全反镜10、11进入I路主放大器；预放大输出的激光束经过变焦扩束镜9后，也可通过正交放置的45°全反镜10、12进入II路主放大器。当I路主放大器运行时，45°全反镜12由步进电机信号选择器和步进电机控制平移至光路之外，当II路主放大器运行时，45°全反镜12由步进电机信号选择器和步进电机控制平移进入光路，使得激光束进入II路主放大器。I路主放大器运行时，反射光束通过一块偏振器13，其偏振方向与偏振器3的偏振方向是一致的；然后通过一块90°偏振光束旋转器16，该旋转器16只对正向入射的光束进行旋转，按照图1光束的传播方向，只旋转右方入射的光束；然后经过I路主放大器18放大，输出光束被0°全反镜20反射，第二次进入主放大器18再次被放大，此时放大输出的能量能达到20J左右。放大的激光束通过旋转器16，再通过偏振器13，此时光束的偏振方向与偏振器的方向相互垂直，所以光束被反射出激光器系统，通过聚焦系统22聚焦在工件表面上。当II路主放大器运行时，通过步进电机信号选择器和步进电机控制45°全反镜12，移动其位置使光路与另一路主放大器对准，以同样的方式运行该路放大器。通过放大器运行时序控制器控制激光器电源控制器，通过步进电机信号选择器与步进电机相结合来使得各路主放大器交替运行。

这里，两路主放大器可以以两种方式运行：

方式一，由图4假设，振荡器和预放大器8按照频率32的方式运转，主放大器18按照33的时序方式运转，主放大器17按照34的时序运转，这样两路主放大器运行的频率为谐振腔运行频率的一半，通过这种方式有效提高了主放大器17、18的冷却效果，降低了热透镜效应对整个重复频率固体激光器系统的影响；这里两路主放大器运行的时序是错开的，主要是通过主放大器运行时序控制器和步进电机信号选择器控制45°全反镜12相结合来实现的，(图1中虚线12表示相应45°全反镜处于光路中，实线12表示相应45°全反镜平移至光路之外)，主放大器18运行时，45°全反镜12不在光路中，使得光束直接通过45°全反镜11反射进入主放大器18，然后步进电机信号选择器控制45°全反镜12，给它一定的进程，让45°全反镜12移动到光路中(图中虚线12的位置)，这样主放大器17就开始运行，主放大器18停止运行。步进电机运行的时间是由两路主放大器运行的频率、步进电机移动的速度以及移动的进程决定的。

方式二，振荡器与预先放大器8按照频率32的方式运转，主放大器18与振荡器以同样频率同步运行到器件破坏的时间临界值，然后步进电机信号选择器控制45°全反镜12，移动到相应的位置，使得主放大器17开始工作，主放大器18停止工作继续进行冷却。如此往复，两路主放大器轮流运行。

在上述方式中虽然只有一路主放大器工作，但是一路输出的激光束通过聚焦系统可以聚焦到直径2mm左右的光斑，产生的激光功率密度在30GW/cm²以上，诱导的冲击波压力大大超过材料塑性变形的压力，满足激光冲击强化的要求。

这里是以两路放大器为例的，也可以多路放大器按照上述两种方式交替工作，路数越多，激光介质的冷却时间越长，热透镜效应影响越低，激光器运行的频率和稳定性也越高。

Claims (6)

1.一种提高激光冲击强化设备钕玻璃激光器的重复频率和稳定性的装置，包括激光器光学系统、激光器电源与控制系统，激光器光学系统包括双灯泵浦钕玻璃棒(4)的电光调Q钕玻璃振荡器、可饱和吸收被动光隔离器(6)、变焦扩束镜(7)、预放大器(8)、变焦扩束镜(9)、两个正交放置的45°全反镜(10、11)、偏振器(13)、90度偏振光束旋转器(16)、主放大器(18)、0°全反射镜(20)；电光调Q振荡器包括依次组合的激光全反射镜(1)、KD*P普克尔盒(2)、偏振器(3)、激光工作介质和输出镜(5)；可饱和吸收被动光隔离器(6)位于所述电光调Q振荡器的输出镜(5)；在所述偏振器(13)上设置有聚焦系统(22)，其特征在于：其中所述两个正交放置的45°全反镜(10、11)为两组或多组，每组共用一45°全反镜(10)，另一45°全反镜(11)通过步进电机安装在所述的激光器光学系统，所述每组两个正交放置的45°全反镜(10、11)对应一路所述的主放大器(18)。

2.根据权利要求1所述的一种提高激光冲击强化设备钕玻璃激光器的重复频率和稳定性的装置，其特征在于：所述的激光器电源与控制系统由放大器运行时序控制器、激光器电源控制器和步进电机信号选择器组成。

3.根据权利要求1所述的一种提高激光冲击强化设备钕玻璃激光器的重复频率和稳定性的装置，其特征在于：所述聚焦系统，是由两个负透镜(28、30)和两个正透镜(29、31)交错组合成的两组扩束镜组成。

4.一种提高大能量钕玻璃固体激光器重复频率和稳定性的方法，其特征在于：振荡器输出的多横模激光束经过预放大器预先放大后，在电源和控制系统作用下，控制两路或多路主放大器泵浦灯充放电的次序和时间间隔，使所述的两路或者多路主放大器工作时间错开，将激光束轮流经过两路或者多路主放大器放大，最后通过聚焦系统聚焦在工件表面上。

5.根据权利要求4所述的一种提高激光冲击强化设备钕玻璃激光器的重复频率和稳定性的方法，其特征在于：振荡器和其中一路主放大器以相同重复频率同步运行，当运行时间足够长所导致的热透镜效应达到单路主放大器工作介质破坏阈值时，由主放大器时序控制和步进电机控制相结合，控制激光光路转换为振荡器与另一路主放大器以相同重复频率同步运行，如此往复，各路主放大器轮流离线冷却，循环工作。

6.根据权利要求4所述的一种提高激光冲击强化设备钕玻璃激光器的重复频率和稳定性的方法，其特征在于：振荡器与各路主放大器重复频率不同，各路主放大器重复频率相同，振荡器运行频率是主放大器运行频率的数倍，倍数等于放大器的路数，振荡器和各路主放大器持续运行，各路主放大器运行时间错开。

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