用于产生高峰值功率激光脉冲的方法和系统技术方案

根据一个方面，本说明书涉及一种用于产生高峰值功率激光脉冲的系统(10)，其包括：至少一个第一光源(101)，其用于发射第一纳秒激光脉冲(I

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生高峰值功率激光脉冲的方法和系统
本说明书涉及出于激光冲击目的用于产生高峰值功率激光脉冲的方法和系统。本说明书尤其适用于激光冲击强化、激光冲击光谱技术、基于激光的超声产生或部件的激光清洗。
技术介绍
基于激光冲击的表面处理应用(即涉及等离子体的形成)要求具有非常高的峰值功率(通常约为10兆瓦(MW)或更高)的脉冲，也就是说，通常要求脉冲的持续时间为约几十纳秒或更短并且其能量大于约一百毫焦耳。这些脉冲通常集中在几平方毫米的区域上，从而有可能实现每平方厘米几十焦耳的能量密度，用于形成激光冲击。这些应用包括例如激光冲击光谱技术、激光清洗、基于激光的超声产生(例如为了分析材料的晶体结构)以及为了提高部件的使用寿命和机械抵抗力的激光冲击强化。例如在专利US6002102和EP1528645中描述了激光冲击强化。第一吸收性薄层沉积在待处理部件上。在操作过程中，高峰值功率激光脉冲会使吸收层汽化，从而产生热等离子体。等离子体的膨胀会引起强烈的压缩波，从而可以在待处理部件的材料深处产生预应力。称为约束层的第二层(其对辐射透明，例如水或对入射辐射的波长透明的材料，例如石英)有助于冲击波向待处理表面的内部松弛。这种称为“激光冲击强化”的方法可以增强部件对周期性疲劳的机械抵抗力。通常通过在自由空间中传输光束至待处理区域来执行该方法。然而，在自由空间中传输大功率激光束会带来安全问题，并使其很难进入受限制或有阻碍的地方(例如，水下环境)。例如在专利US4937421或US6818854中所描述的，为了进入位于受限制或有阻碍的环境中的表面，光纤似乎是非常合适的工具。然而，上述一些方法(例如激光冲击强化或激光表面清洗)通常在多尘的工业环境中进行，从而显著降低了光纤的输入表面和输出表面的损伤阈值。此外，除了清洗方面之外，对于脉冲持续时间小于1μs的脉冲激光，能够注入到光纤中的峰值功率水平受到形成光纤纤芯的材料的介电损伤阈值的限制。因此，对于1064nm处的10ns脉冲，空气/二氧化硅界面的损伤阈值约为1GW/cm2。为了限制在注入和松弛时受损伤的风险，优选使用具有宽芯径的波导。但是，大的纤芯(通常大于1mm)不是很柔韧，过度的弯曲通过渐逝波产生损耗，这可能会损坏光纤。例如专利US6818854中所描述的，可以使用一组(或“束”)光纤。然而，为了限制在这类部件中的注入和传播损失，优选将光能分别注入每根光纤中，这使得注入变得复杂且昂贵。此外，有必要在部件的输出端处设置一种具有大孔径的光学聚焦系统，这使得光学系统变得复杂、昂贵且笨重。尤其由于这些原因，在实践中，光纤在传输脉冲方面的用途仅限于传输峰值功率相对较低(小于10MW)的脉冲以及处理易于进入的区域(非弯曲路径)。因此，需要通过具有光纤装置的系统来产生高峰值功率脉冲，这使得可以增加光纤的损伤阈值并改善光纤装置的柔韧性，从而避免其由于机械应力而导致光学性能下降。本说明书的一个主题是一种高峰值功率(通常约为10MW或更高)脉冲的产生方法和系统，其允许安全的注入到光纤装置并确保安全的长距离传播，同时又维持了极大的柔韧性。
技术实现思路
根据第一方面，本说明书涉及一种高峰值功率激光脉冲产生系统，其包括：-至少一个第一光源，其用于发射第一纳秒激光脉冲；-光纤装置，其用于传输所述第一激光脉冲，所述光纤装置包括至少一个具有被设计为接收所述第一激光脉冲的单芯的第一多模光纤；-至少一个第一光放大器，其被布置在所述光纤装置的输出端处，用于光学放大所述第一激光脉冲并产生所述高峰值功率激光脉冲。在本说明书中，术语“高峰值功率”应理解为是指峰值功率约为10MW或者大于或等于10MW的激光脉冲。在聚焦于几平方毫米(通常在0.1到10mm2之间)的表面区域之后，此类脉冲适用于在给定的材料中产生激光冲击，例如用于激光冲击强化应用、表面清洗、超声波产生、光谱技术等。这样描述的系统借助于布置在所述光纤装置的输出端处的光放大器，使得对于入射在希望产生激光冲击的材料上的脉冲可以具有非常高的峰值功率，同时保护所述光纤装置的输入接口和输出接口。可以使用有限直径(通常小于1mm，有利地，小于300μm)的多模光纤，从而赋予所述光纤装置更大的柔韧性，并因此允许更容易进入受限制的环境，其中光纤曲率直径可以减小到小于15cm。在本说明书中，术语“纳秒激光脉冲”应理解为是指持续时间在1至100ns之间的脉冲。具体而言，对于超短激光脉冲(小于几百皮秒)，激光冲击效果不佳或根本没有达到激光冲击效果。根据一个或多个示例性实施例，所述第一光源发射持续时间在5纳秒至20纳秒之间的脉冲。所述第一脉冲可以包括一个或多个激光线。根据一个或多个示例性实施例，所述激光脉冲产生系统还包括用于对所述第一激光脉冲进行时域整形的模块。根据一个或多个示例性实施例，所述时域整形模块包括被配置为通过减小时间相干性来减小所述脉冲的功率谱密度(PSD)的装置。这使得可以以有限的能量减少来减小PSD。以准恒定能量或略微减少的能量来减小PSD使得可以限制由散斑引起的强度尖峰，以保护向所述光纤装置的注入并限制非线性效应。根据一个或多个示例性实施例，所述时域整形模块被配置为减小所述功率谱密度，使得所述脉冲的光强低于在所述光纤装置中激发的布里渊散射阈值。因此限制了在所述光纤中由非线性效应(尤其是布里渊效应)引起的光能损失。所述布里渊散射阈值在所述光纤的直径减小(以及所述光纤的长度增加)时减小，并且在所述光源的谱宽变得大于布里渊线的谱宽时增大。因此，通过减小所述激光脉冲的PSD(例如通过加宽光谱或增加激光线的数量)，可以在减小纤芯直径和/或增加光纤长度的同时保持较高的布里渊散射阈值。具体而言，所述布里渊阈值的计算考虑了所述光源的光谱分布与布里渊增益的光谱分布之间的卷积。根据一个或多个示例性实施例，通过增加所述第一脉冲中包含的激光线的数量(例如通过声光调制器)来获得PSD的减小。根据一个或多个示例性实施例，通过加宽所述第一脉冲中包含的激光线的光谱来实现PSD的减小。根据一个或多个示例性实施例，为了加宽所述第一脉冲中包含的激光线的光谱，所述时域整形模块包括围绕给定的旋转轴旋转并且被配置为用多普勒频谱加宽效应反射所述第一入射脉冲的旋转反射装置。所述旋转反射装置可以围绕所述旋转轴振荡或旋转。所述旋转反射装置包括一个或多个反射表面。由于在所述表面的每个点处的可变角速度，入射在所述反射表面上的脉冲经历了空间可变的多普勒频移。因此，由所述旋转反射装置反射的激光脉冲表现出光谱加宽，因此PSD减小。另外，减小了所述激光脉冲的空间相干性和时间相干性，从而有助于限制散斑效应和非线性效应。根据一个或多个示例性实施例，所述反射表面被布置在垂直于同一个平面(称为所述第一脉冲的入射平面，其包括入射在所述旋转反射装置上并由所述旋转反射装置反射的所述第一激光脉冲的波矢的方向)的平面中。根据一个或多个示例性实施例，所述旋转反射装置的旋转轴垂直于所述第一激光脉冲的所述入射平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高峰值功率激光脉冲产生系统(10)，包括：/n-至少一个第一光源(101)，用于发射第一纳秒激光脉冲(I

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180605 FR 18548591.一种高峰值功率激光脉冲产生系统(10)，包括：
-至少一个第一光源(101)，用于发射第一纳秒激光脉冲(IL)；
-光纤装置(110)，用于传输所述第一激光脉冲，所述光纤装置(110)包括至少一个具有被设计为接收所述第一激光脉冲的单芯的第一多模光纤；
-至少一个第一光放大器(120)，被布置在所述光纤装置的输出端处，用于光学放大所述第一激光脉冲以产生所述高峰值功率激光脉冲。


2.根据权利要求1所述的激光脉冲产生系统，还包括用于对所述第一激光脉冲进行时域整形的模块(102)，该模块(102)被布置在所述光纤装置的上游，并且被配置为通过减小时间相干性来减小所述脉冲的功率谱密度。


3.根据权利要求2所述的激光脉冲产生系统，其中，所述时域整形模块(102)包括被配置为增加所述第一脉冲中包含的激光线的数量的装置。


4.根据权利要求2和3中任一项所述的激光脉冲产生系统，其中，所述时域整形模块(102)包括被配置为加宽所述第一脉冲中包含的激光线的光谱的装置。


5.根据权利要求4所述的激光脉冲产生系统，其中，所述装置包括围绕给定的旋转轴旋转的旋转反射装置(42-45)，该旋转反射装置(42-45)被配置为利用多普勒频谱加宽效应来反射所述第一入射脉冲。


6.根据前述权利要求中任一项所述的激光脉冲产生系统，还包括用于对所述第一激光脉冲进行空域整形的模块(103)，该模块(103)被布置在所述光纤装置的上游，并且被配置为标准化所述脉冲的功率空间密度。


7.根据权利要求6所述的激光脉冲产生系统，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·戈尔朱，A·爱雅，X·列维茨，
申请(专利权)人：想象光学公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR