高重复率钕玻璃冲击处理装置的多横模激光振荡器

高重复率钕玻璃冲击处理装置的多横模激光振荡器 doi : 10 . 3788/ L O P47 . 071402 高重复率钕玻璃冲击处理装置的多横模激光振荡器 1 1 32 2 1 1 1杨兴华管海兵 吴鸿兴郭大浩张永康任旭东鲁金忠 1 2 ( )江苏大学机械工程学院 , 江苏 镇江 212013 ; 中国科技大学强激光技术研究所 , 安徽 合肥 230026 摘要 讨论了用于冲击处理装置的多横模激光振荡器 ,给出了高重复率钕玻璃激光冲击处理装置的设计 ,并详细 说明了光路安排中各个光学器件的设计参数 。实验测量了激光器单次和以重复频率 0 . 5 Hz 运转时输出的能量 , ( ) 并且测量了激光器在正常运转时激光脉宽和放大自发辐射 A SE的大小 。测量结果表明 ,在单次和 0 . 5 Hz 频率 运转时 ,激光输出能量都能达到 40 J 以上 ;激光的脉宽稳定在 22 ns 左右 ;激光输出的 A SE 大约为 16 mJ 。测量数 据表明 ,该激光器可以用来进行激光冲击强化的实验研究装置 。 关键词 激光器 ; 多横模 ; 钕玻璃棒 ; 高重复率 ; 激光冲击处理 O CI S 140 . 3580 140 . 3280 中图分类号 TN248 文献标识码 A M u l t i p l e T r a n s ve r s e M o d e L a s e r O s c i l l a t o r of Hi g h R ep e t i t i o n2R a t e N d : Gl a s s S h o c k T r e a t m e n t I n s t a l l a t i o n 11221Ya n g Xi n g h ua Gua n hai bi n g Wu Hon gxi n g Guo Da ha o Zha n g Yon g ka n g 11Re n Xudon g L u J i nz hon g 1 Mech n ica l Engi nee r i ng School , J i a ngs u U n i ve rsi t y , Zhe n j i a ng , J i a ngs u 212013 , Chi n a 2 I ns t i t u te of High Powe r L ase r Tech nology , U ni ve rsi t y of Scie nce & Tech nol ogy of Chi n a , Hef ei , A n h ui 230026 , Chi n a A bs t r a c t M ul t ip le t r a ns ve rs e mode las e r os cilla t or of hi gh r ep e ti tion2r at e N d : glass s hoc k t r e a t me nt i ns t alla ti on is diss c uss e d . The desi gn of hi gh r ep e ti t ion2r a t e N d : glass las e r s hoc k p r ocessi ng a nd t he p a r a me t e rs of va rious op tical () ele me nts a r e gi ve n . The las e r outp ut e ne r gy , p uls e wi dt h a nd a mplif ie d sp ont a ne ous e mission AS Ea r e meas u r e d a t t he si n gl e f r e que nce a nd 0 . 5 Hz f r e que nce . The r es ul t s s how t hat t he las e r outp ut e ne r gy ca n r e ac h mor e t ha n 40 J , wi t h las e r wi dt h of 22 ns a nd AS E of a bout 16 mJ , a nd t he las e r ca n be us e d f or las e r s hoc k p r ocessi n g . Ke y w o r ds las e rs ; m ul tip le t r a ns ve rs e mode ; N d : glass r od ; hi gh r ep e ti ti on2r a t e ; las e r s hoc k p r ocessi n g 1 引言 () 通常 ,激光装置中的激光振荡器的各项指标 如模式 、光束发散角 、单色性 、脉宽 、调制性能等都较好 ,但 [ 1 ] () 输出能量较低 只有毫焦耳量级,因为输出能量与各项指标是矛盾的。既要获得好指标 ,又要高能量 ,必 [ 2 ] 须加足够多的放大器 。但这样一来 ,整个激光装置的体积必然庞大。为了使整个激光装置体积减小一些 , 可增加激光振荡器的输出能量 ,就可减少激光放大器的级数 ,因此本文提出了多横模激光振荡器的想法 。因 为冲击处理激光装置对各项指标要求不是太高 ,特别是不要求基横模 ,没必要加小孔选横模 ,这样激光振荡 级的能量就可以大些 。 2 高重复率钕玻璃高功率激光处理装置 [ 3,7 ] 图 1 为把多横模激光振荡器作为激光振荡级的高重复率钕玻璃高功率激光处理装置的总体光路图。 收稿日期 : 2009205212 ; 收到修改稿日期 : 2009208214 () () 基金项目 : 国家 863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 2002A A336030和国家自然科学基金 50275068资助课题 。 () 作者简介 : 杨兴华 1975 - ,男 ,博士研究生 ,主要从事激光加工和激光器件方面的研究 。E2mail : xhya ng @uj s. edu. cn () 导师简介 : 张永康 1963 - ,男 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事激光加工和激光器件等方面的研究 。E2mail : ykzhang @uj s. edu. cn 3 通信联系人 。E2mail : ghb_2007 @163 . co m L D,L D: semico nducto r la ser s , M: 0?to tal ref lectio n mir ro r , M: o utp ut mir ro r , M, M, M, M: 45?to t al ref lectio n1 3 1 2 3 4 6 8 3 mir ro r , M: 45?semi2p er mea ble and semi2ref lective mir ro r , P : pola rizer , PC : KD P crystal , SL , SL : expa nder , PA , 5 1 6 m MA : neo dymium gla ss ro dm —n 图 1 高功率激光装置的总体光路排布 Fig. 1 Overall op tical pat h a r rangement of high2po wer la ser device ( ) ) 各级激光棒参数分别为 :1调 Q 激光振荡器 PA中激光介质为 <8 mm ×200 mm 磷酸盐 N钕玻璃 0 21 3 ( ) 棒 ,用 <12 mm ×200 mm 的脉冲氙灯双灯抽运 ,聚光腔为陶瓷漫反射腔 ,电光调 Q 开关 KD P的通光口径 ( ) ) 为 <15 mm ,内装匹配液 ;2激光预放大器 PA中激光介质为 <14 mm ×350 mm 的磷酸盐 N钕玻璃棒 ,用1 21 ( ) ) <22 mm ×350 mm 脉冲氙灯双灯抽运 ,聚光腔为双椭圆金属铜镀银腔 ;3?路第 1 级激光主放大器 MA ?21 中激光介质为 <16 mm ×350 mm 磷酸盐 N钕玻璃棒 ,用 <22 mm ×350 mm 脉冲氙灯双灯抽运 ,聚光腔为双 21 ( ) ) () 椭圆金属铜镀银腔 ;4?路第 2 级激光主放大器 MA 中激光介质为 <20 mm 或 <18 mm×350 mm 的磷 ?22 ) 酸盐 N钕玻璃棒 ,用 <22 mm ×350 mm 脉冲氙灯双灯抽运聚光腔为双椭圆金属铜镀银腔 ;5?路第 1 级激21 ( ) ( ) 光主放大器 MA 与 ?路第 2 级激光主放大器 M A 的各种参数一致 。?21 ?22 各级电源充电电压设定值为 :调 Q 激光振荡器电源充电电压为 1680 V ,预放大器电源充电电压为 1900 V , () () 激光主放大器电源 4 节电源相同充电电压为 2000 V 。激光能源 由电容器提供部分分别为 :激光振荡器能 μμμ源的电容量/ 灯为 200F ,激光预放大器能源的电容量/ 灯为 300F ,激光主放大器能源的电容量/ 灯为 600F 。 + 4 () 循环水冷系统开动时 ,温度为 25 ?,温差为2 ?,并在振荡级外加了被动隔离器 Cr : YA G透射率约 70 %。 3 激光装置总体输出参数测试 3 . 1 激光脉冲能量 激光脉冲能量测试所用仪器为 P T21C 型体吸收激 () 光能量计 200 J 档 ,测量精度 0 . 1 J ,测试光路排布如 θ图 2 所示 。当激光束与取样光学平板的入射角?15? 时 ,取样光学平板每个面对激光束的反射率为 4 % 。 ) 1单次运转输出激光脉冲能量 :调 Q 振荡器与各级 放大器抽运能量密度 W 如表 1 所示 。W 设计值为现p p 有激光电源与激光能源系统可以达到的抽运能量密度 图 2 能量测试光路 值 。此时单次运转激光器输出激光脉冲能量如表 2 所 Fig. 2 Op tical p at h of ener gy mea surement 示 。 因此 ,根据上述提供的各放大器充电电容和充电电压 ,可以算出该激光器的总能量转换效率为 1 . 84 % 。 两路激光分别通过等焦距的聚焦透镜 ,在焦点处进行重合 ,重合度达到 90 %以上 ,总能量达到 45 J 左右 。由 表 1单次运转放大器光抽运密度 W p Table 1 Op tical a mplifier p ump densit y W during single op eratio n p PAPAMA M A MA MA 0 1 ?21 ?21 ?22 ?22 2 ) (80 . 0 45 . 0 67 . 0 67 . 0 42 . 0 42 . 0 Design val ue / J / cm2 ()Op eratio n val ue / J / cm 37 . 5 18 . 7 21 . 9 21 . 9 18 . 0 18 . 0 表 2 单次运转激光器总体输出能量 Ta ble 2 To tal o utp ut ener gy during single operatio n Te st seque nce 1 2 3 4 5 L a se r p ul se e ne r gy / J 43 . 5 46 . 8 42 . 1 46 . 9 45 . 9 ) 2高重复率运转输出激光脉冲能量 :激光器以重复频率为 0 . 5 Hz 运转 ,各级抽运能量密度 W p 如表 3 所示 。此时激光器输出激光脉冲能量如表 4 所示 。 表 3 高重复率运转各级光抽运密度 W p Table 3 Op tical p ump densit y W during high rep etitio n2rat e op eratio np PAPA MA MA MA MA 01?21?21?22?222 ) (80 . 0 45 . 0 67 . 0 67 . 0 42 . 0 42 . 0 Design val ue / J / cm2 ()37 . 5 23 . 7 21 . 9 21 . 9 15 . 8 15 . 8 Op eratio n val ue / J / cm 表 4 重复率运转总体输出能量 Ta ble 4 To tal o utp ut ener gy during rep etitio n rate op eratio n Te st seque nce 1 2 3 4 5 L a se r p ul se e ne r gy / J 42 . 9 41 . 5 42 . 7 41 . 4 44 . 0 因此可以算出平均输出激光脉冲能量 ?E = 42 . 23 J 。从表 2 和表 4 的结果可以得出 ,以 0 . 5 Hz 重复频率 运转时 ,激光器输出能量下降了 6 . 2 % ;由于激光器 0 . 5 Hz 运转时 ,介质的热透镜效应比较严重 ,阻碍了激 光器正常的运转 。实验证明 ,以上述抽运能量进行运转时 ,激光器只能正常工作 1 mi n 左右 。 3 . 2 激光脉冲宽度 () 激光脉冲宽度用型号为 Te kt ro ni x TD S3012B 存储示波器以及 P IN 光电接收器 响应时间不大于 1 n s (θ) θ 进行测试 ,测试光路图如图 3 所示 其中为激光束的入射角 ,?15?,激光脉冲波形测试结果如图 4 所示 , ( ) 激光脉冲半峰全宽 F W H M约为 22 n s 。 图 3 波形测试光路 图 4 激光脉冲 Fig. 3 Op tical pat h of p ul se mea surement Fig. 4 L a ser p ul se 3 . 3 放大自发辐射能量 () 放大自发辐射的测量是用 P T21C 型体吸收激光能量计 2 J 档 ,测量精度为 0 . 1 mJ 进行测试的 ,测试光 θ路同图 2 所示 。当激光束与取样光学平板的入射角?15?时 ,取样光学平板每个面对激光束的反射率为 4 % 。此时 ,调 Q 振荡器与各级放大器抽运能量密度 W 值如表 5 所示 。由测试结果可得 ,放大自发辐射能 p 量 E= 0 . 016 J 。ASE 表 5各级抽运密度值 W p W of all level s Op tical p ump densit y Ta ble 5 p PAPA MA MA MA MA 01?21?21?22?222 )(80 . 0 45 . 0 67 . 0 67 . 0 42 . 0 42 . 0 Design val ue / J / cm 2 ()Op eratio n val ue / J / cm 37 . 5 18 . 7 21 . 9 21 . 9 18 . 0 18 . 0 可得 2 2 δ ( ) ( )= E-i E?/ nE? ?4 . 2 % , ? 式中 Ei 为每次测量所得能量 , n 为测量次数 , 在本文中 n = 5 , i = 1 , 2 , , 5 。相应的输出激光光斑如图 5 所示 ,左 图 5 激光光斑形状 图大光斑为装置的总体输出光斑 ,右图小光斑为多横模振 Fig. 5 L a ser spo t shap e 荡级调 Q 输出光斑 。 μ在激光冲击强化中 ,当激光波长为 1 . 054 m ,输出脉冲宽度为 22 . 1 n s ,激光能量达到 36 J 时 ,对曲轴 激光冲击后轴颈表面残余压应力平均值达到 380 M Pa 左右 ,最大达 495 M Pa ; 曲轴材料的表层硬度得到了 明显的提高 ,表面硬化层的显微硬度可高达 590 HV ,硬化层深度 1 . 0 mm 以上 ,达到国外同类产品的性能水 平 。激光冲击强化既可保持曲轴整体的韧性 ,又可显著提高曲轴轴颈表面的硬度和耐磨性 ,并获得良好的表 面压应力状态 ,有利于提高曲轴的抗疲劳性 ,是目前改善发动机曲轴抗磨性和抗疲劳性能的最好方法 。 4 结论 给出了多横模谐振腔的结构图 ,并详细设计了高重复频率高能钕玻璃激光器 。通过实验测试得出了激 光器在单次和 0 . 5 Hz 频率运转时 ,激光输出能量能够达到 40 J 以上 ,同时 A S E 只有 16 mJ ,激光输出脉宽 为 22 n s 。目前该设备已经成功应用于激光冲击强化实验 。 参 考 文 献 1 L an Xi nju. 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