一种纳秒脉冲锻造激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种纳秒脉冲锻造激光器，包括控制系统、电源系统、冷却系统和激光光学系统，控制系统用以对电源系统进行调控，所述激光光学系统包括振荡系统、预放系统、主放系统、柔性导光臂系统和光束变换系统，脉冲泵浦源给振荡系统提供一连串的大脉冲串组激光，振荡系统利用液体封装KD*P普克尔盒对一连串的大脉冲串组激光进行腔内调制，将每个大脉冲串组激光调制成一连串的小脉冲激光并经二级放大后进行输出；所述电源系统采用的是以IGBT为功率变换器件的开关型脉冲激光电源。本发明专利技术在平均功率不增加的前提下，实现串内子脉冲的高重频与大能量兼顾输出，并且仅仅利用了二级放大，使整机的体积相对很小，方便了设备的移动。方便了设备的移动。方便了设备的移动。

【技术实现步骤摘要】
一种纳秒脉冲锻造激光器


[0001]本专利技术涉及锻造激光器
，尤其是涉及一种纳秒脉冲锻造激光器
。

技术介绍

[0002]激光冲击锻打技术，是利用短脉冲（
ns
量级）
、
大能量脉冲激光诱发的
GPa
量级冲击波对中高温金属沉积层进行激光“锻造”，有效重构应力分布，与金属增材制造
、
激光熔覆及激光焊接等技术相结合形成复合加工，可有效改善加工过程中产生的气孔
、
裂纹
、
缩松等内部冶金缺陷，极大地提高加工质量
。
同时，在加工过程中适合锻造的温度区间内，多次的激光冲击锻造效果有显著的叠加效应，多次的冲击锻造可极大地增强锻造效果，提高加工效率
。
[0003]基于以上分析可知，可应用于激光锻造技术的激光系统，应具有
ns
量级的激光脉宽
、
高脉冲能量，及比较高的重复频率
。
然而目前常规脉冲激光器发出的是“连续重频式”的脉冲激光，输出激光的高重复频率与大脉冲能量之间存在着相互制约的问题，在获得高重复频率的同时难以兼得大能量输出
。
同时由于受到激光工作介质的热效应
、
激光器体积及系统造价等因素的影响，大脉冲能量的输出及高重复频率通常是相互矛盾的，很难在工程实用中得到实际应用
。
[0004]在脉冲串激光器的产生方式上，目前大多采用腔外调制方案，即利用声光或电光调制器对低功率连续激光进行调制，或对准连续激光进行选波，最终实现脉冲串形式的激光输出
。
这种腔外调制（声光调制）产生脉冲串激光的方案，优点是实现手段简单，但缺点也非常明显
。
采用这种方案输出的脉冲串种子光，子脉冲能量极低，一般在
uJ
量级，直接导致后续放大需要采用多个放大级，通常在5级以上，从而使得整个激光器系统结构庞大，如此庞大和复杂的系统，给实际应用或维护带来极大不便，一般在工作现场很难实现移动
。
[0005]在脉冲串的持续时间方面，早期的研究由于采用脉冲氙灯泵浦的普通可控硅开关电源，脉冲串持续时间只能达到数十微秒，且放电时间一般不可调
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种能获得高重复频率
、
高脉冲串组能量的脉冲串激光输出且整机体积小的纳秒脉冲锻造激光器
。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种纳秒脉冲锻造激光器，包括控制系统
、
电源系统
、
冷却系统和激光光学系统，控制系统用以对电源系统进行调控，所述冷却系统用以将激光光学系统中的热量带走，所述激光光学系统包括振荡系统
、
预放系统
、
主放系统
、
柔性导光臂系统和光束变换系统，脉冲泵浦源给振荡系统提供一连串的大脉冲串组激光，所述振荡系统利用液体封装
KD*P
普克尔盒对一连串的大脉冲串组激光进行腔内调制，将每个大脉冲串组激光调制成一连串的小脉冲激光，振荡系统将调制后的脉冲激光依次经预放系统和主放系统进行放大后，由柔性导光臂系统导出到光束变换系统，所述光束变换系统用以将激光输出的圆光斑转化为一个
线光斑，以满足锻造激光的应用；所述电源系统采用的是以
IGBT
为功率变换器件的开关型脉冲激光电源
。
[0008]本申请采用
Nd:YAG
为激光工作介质，振荡级采用脉冲内电光调
Q
技术，腔内调制产生高频的脉冲串（
Burst
），同时辅以二级单程放大系统构成的
Nd
：
YAG
脉冲激光系统，以获得高重复频率
、
高脉冲串组能量的脉冲串激光输出，输出激光的工作频率最高为
100Hz
，激光脉冲能量能达到
3J。
液体封装
KD*P
普克尔盒采用了
KD*P
晶体，对干
KD*P
晶体在高重频下易产生压电振铃效应的问题，因本系统所研究的高重频激光器多为腔倒空结构，所以将通过控制其驱动电脉冲的脉宽在一个较短的时间范围
50ns
以内，即控制其激光在腔内生成阶段的时间，以做到对压电振铃效应的抑制，但是由干过低的激光振荡建立时间会使反转粒子能量来不及转换成激光振荡进而引发激光器效率降低，所以上述时间控制需要按照激光系统的实际情况设定在合理的范围内
。
本系统中激光振荡建立时间将控制定在
20
‑
45ns
，实现了激光脉冲宽度（
FWHM
）
15
‑
35ns
的变换范围
。
[0009]进一步地，还包括机柜，在机柜外的顶部设有减振层，所述激光光学系统设在减振层上，机柜上的顶部设有透明罩，所述透明罩将激光光学系统罩住，所述电源系统设在机柜内，所述冷却系统中的冷水机位于机柜外；所述减振层上设有第一全反入腔镜调整架和第二全反出腔镜调整架，所述第一全反入腔镜调整架和第二全反出腔镜调整架分别用于固定所述振荡系统中的第一全反入腔镜和第二全反出腔镜；所述第一全反入腔镜调整架和第二全反出腔镜调整架是由铟钢材料制成，用以减小因设备移动或环境温度的变化引起的调整架微变
。
[0010]进一步地，所述电源系统包括振荡预放电源箱
、
主放电源箱和储能电容箱，所述振荡预放电源箱内设有
IGBT
型调
Q
电源和
IGBT
型预放电源，
IGBT
型调
Q
电源用以给振荡系统的腔内电光调
Q
氙灯供电，
IGBT
型预放电源用以给预放系统中的预放氙灯供电；所述主放电源箱内设有两套
IGBT
型主放电源，两套
IGBT
型主放电源分别用以给主放系统中的两个主放氙灯供电；所述储能电容箱内用以放置
IGBT
型调
Q
电源中的储能电容
、IGBT
型预放电源中的储能电容以及两套
IGBT
型主放电源的储能电容
。
[0011]进一步地，所述振荡系统和预放系统之间设有第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述预放系统和主放系统之间设有第二热效应补偿激光扩束透镜组件；所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件和第二热效应补偿激光扩束透镜组件，均包括扩束锥形筒
、
透镜
A、
透镜
B
和间距调节机构
,
将透镜
A
和透镜
B
安装在扩束锥形筒内并调整透镜
A
和透镜
B
间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种纳秒脉冲锻造激光器，包括控制系统
、
电源系统
、
冷却系统和激光光学系统，控制系统用以对电源系统进行调控，所述冷却系统用以将激光光学系统中的热量带走，其特征在于：所述激光光学系统包括振荡系统
、
预放系统
、
主放系统
、
柔性导光臂系统和光束变换系统，脉冲泵浦源给振荡系统提供一连串的大脉冲串组激光，所述振荡系统利用液体封装
KD*P
普克尔盒对一连串的大脉冲串组激光进行腔内调制，将每个大脉冲串组激光调制成一连串的小脉冲激光，振荡系统将调制后的脉冲激光依次经预放系统和主放系统进行放大后，由柔性导光臂系统导出到光束变换系统，所述光束变换系统用以将激光输出的圆光斑转化为一个线光斑，以满足锻造激光的应用；所述电源系统采用的是以
IGBT
为功率变换器件的开关型脉冲激光电源
。2.
根据权利要求1所述的纳秒脉冲锻造激光器，其特征在于：还包括机柜，在机柜外的顶部设有减振层，所述激光光学系统设在减振层上，机柜上的顶部设有透明罩，所述透明罩将激光光学系统罩住，所述电源系统设在机柜内，所述冷却系统中的冷水机位于机柜外；所述减振层上设有第一全反入腔镜调整架和第二全反出腔镜调整架，所述第一全反入腔镜调整架和第二全反出腔镜调整架分别用于固定所述振荡系统中的第一全反入腔镜和第二全反出腔镜；所述第一全反入腔镜调整架和第二全反出腔镜调整架是由铟钢材料制成，用以减小因设备移动或环境温度的变化引起的调整架微变
。3.
根据权利要求2所述的纳秒脉冲锻造激光器，其特征在于：所述电源系统包括振荡预放电源箱
、
主放电源箱和储能电容箱，所述振荡预放电源箱内设有
IGBT
型调
Q
电源和
IGBT
型预放电源，
IGBT
型调
Q
电源用以给振荡系统的腔内电光调
Q
氙灯供电，
IGBT
型预放电源用以给预放系统中的预放氙灯供电；所述主放电源箱内设有两套
IGBT
型主放电源，两套
IGBT
型主放电源分别用以给主放系统中的两个主放氙灯供电；所述储能电容箱内用以放置
IGBT
型调
Q
电源中的储能电容
、IGBT
型预放电源中的储能电容以及两套
IGBT
型主放电源的储能电容
。4.
根据权利要求3所述的纳秒脉冲锻造激光器，其特征在于：所述振荡系统和预放系统之间设有第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述预放系统和主放系统之间设有第二热效应补偿激光扩束透镜组件；所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件和第二热效应补偿激光扩束透镜组件，均包括扩束锥形筒
、
透镜
A、
透镜
B
和间距调节机构
,
将透镜
A
和透镜
B
安装在扩束锥形筒内并调整透镜
A
和透镜
B
间的距离，所述间距调节机构用以调整透镜
A
和透镜
B
间的距离，将扩束及热效应补偿合二为一，在一个扩束系统中，同时实现热效应补偿的功能
。5.
根据权利要求4所述的纳秒脉冲锻造激光器，其特征在于：所述振荡系统发生的激光经第一光阑
、
第一隔离系统射向第一热效应补偿激光扩束透镜组件，所述第一热效应补偿激光扩束透镜组件射出的激光经第三全反镜
、
第四全反镜后折回反向射到预放系统；所述振荡系统包括第一全反入腔镜
、
电光调
Q
晶体
、
偏振镜
、
第一激光棒
、
限模小孔
、
第二全反出腔镜，电光调
Q
晶体位于第一全反入腔镜和偏振镜之间，给电光调
Q
晶体加电后，光源发出的激光经第一全反入腔镜进入电光调
Q
晶体，引起激光波长的
λ
/4
延迟，线偏振光通过偏振镜后就变成圆偏振光，反射再次进入电光调
Q
晶体，再次引起激光波长的
λ
/4
延迟，成为线偏振光且方向转向
90
°
，经过第一激光棒增益放大的激光穿过限模小孔进行选波后从第二全反出腔镜射出；所述第一激光棒的工作介质为
Nd:YAG
，第一激光棒两端的端面磨斜
1.5
°
，用以消除自振现象
。
6.
根据权利要求5所述的纳秒脉冲锻造激光器，其特征在于：所述预放系统包括第二光阑和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永康，吴穷，
申请(专利权)人：广东镭奔激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：