[发明专利]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

说明书

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。