高功率大能量納秒激光器的典型應(yīng)用

高功率大能量納秒激光器的典型應(yīng)用

• 鈦寶石激光器泵浦

啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification, CPA）技術(shù)是產(chǎn)生超短脈沖、超高峰值功率激光的一種技術(shù)。作為商品化TW - PW 飛秒激光器制造商，Amplitude在鈦寶石泵浦領(lǐng)域具備多年的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

Amplitude提供從10焦耳級(jí)到200焦耳級(jí)納秒綠光激光器，滿足您百太瓦直至10拍瓦量級(jí)高功率鈦寶石激光器的泵浦光需求；專為泵浦優(yōu)化的均勻光斑，使得鈦寶石可輸出質(zhì)量?jī)?yōu)秀的激光。Amplitude可供鈦寶石住放大級(jí)選用的泵浦源系列：

• OPCPA泵浦

與鈦寶石CPA系統(tǒng)不同，OPCPA采用光學(xué)參量放大（Optical Parametric Amplification）過程來放大啁啾脈沖。在OPCPA系統(tǒng)中，為保證對(duì)各頻譜分量的同等增益，要求脈沖的時(shí)間波形為平頂；Amplitude Agilite 及Intrepid系列提供百皮秒 - 微秒脈寬、脈沖波形可編程的輸出，非常適合OPCPA泵浦。Agilite及Intrepid可單獨(dú)使用，提供焦耳級(jí)綠光輸出；同時(shí)可作為Premiumlite的前端，輸出數(shù)十焦的綠光。

Eli - ALPS 2PW/10Hz系統(tǒng)

• 激光沖擊強(qiáng)化

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，激光沖擊強(qiáng)化（Laser Shock Peening）已從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，逐漸成為高端制造業(yè)金屬材料部件強(qiáng)化的關(guān)鍵技術(shù)甚至標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

激光沖擊強(qiáng)化示意圖

激光沖擊強(qiáng)化通常采用納秒尺度的大能量激光。待處理工件表面覆以不透明吸收層以及約束層，激光被吸收層吸收之后產(chǎn)生等離子體；在約束層的限制下，等離子體的爆炸在材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波并向材料內(nèi)部?jī)?nèi)傳播。經(jīng)過處理的材料產(chǎn)生相變和應(yīng)力，可以非常顯著的提升材料的強(qiáng)度、耐磨性、抗疲勞特性；沖擊強(qiáng)化還可用于金屬疲勞恢復(fù)。

激光沖擊強(qiáng)化已被波音等高技術(shù)公司實(shí)際運(yùn)用，適用于：

l 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

l 飛機(jī)蒙皮、鉚釘?shù)炔考?/span>

l 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、氣缸等部件

l 特種管道的焊縫

激光沖擊強(qiáng)化通常需要4～10GW/cm²的峰值功率密度，也就意味著處理1cm²面積需要10J能量。傳統(tǒng)激光器能量和重頻的矛盾，限制了激光沖擊強(qiáng)化工藝的速度和產(chǎn)率。

Amplitude 提供系列激光器，可用于實(shí)驗(yàn)室研究及工業(yè)應(yīng)用。尤其是Premiumlite-YAG激光器，其重復(fù)頻率比現(xiàn)有同等能量激光器高10倍，特別適合高產(chǎn)率沖擊強(qiáng)化工業(yè)應(yīng)用。

可用于沖擊強(qiáng)化的激光器：

• 復(fù)合材料粘接檢測(cè)

復(fù)合材料以其強(qiáng)度高、比重輕、成本優(yōu)的優(yōu)勢(shì)正越來越多的使用于飛機(jī)、航天器、列車、汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件上。在使用時(shí)，通常將復(fù)合材料粘接、或?qū)?fù)合材料與其他材料粘接起來使用。其粘接的質(zhì)量無疑對(duì)最終應(yīng)用中的強(qiáng)度、壽命、可靠性有決定性影響。對(duì)復(fù)合材料粘接效果的檢測(cè)直接關(guān)系到生產(chǎn)與運(yùn)輸?shù)陌踩?/span>

復(fù)合材料的粘接缺陷

復(fù)合材料的粘接缺陷包括空泡 （voids），雜質(zhì) （inclusion），以及吻接（kissing bond）等，會(huì)嚴(yán)重影響材料的強(qiáng)度和可靠性。這些缺陷從外觀完全無法檢出，常規(guī)的非破壞性檢測(cè)（如X射線、超聲波等）因?yàn)橐r度過低，無法有效檢測(cè)這些缺陷。

激光粘接檢（Laser Bonding Inspection, LBI）測(cè)是一種有效、便捷、無損的復(fù)合材料粘接檢測(cè)技術(shù)。脈沖激光在復(fù)合材料表面產(chǎn)生壓剪應(yīng)力波（與激光沖擊強(qiáng)化類似但所使用的激光強(qiáng)度較弱）。壓力波在最后一個(gè)表面以張力波的形式反射，并對(duì)檢測(cè)區(qū)形成“拉扯”作用，從而將較弱的粘接拉開。

通過選擇合理的激光能量、脈沖寬度、脈沖波形，可以使得正常粘接在多次激光作用后完全無損，而對(duì)弱粘接產(chǎn)生破壞。同時(shí)可以通過對(duì)壓力、張力波的實(shí)時(shí)檢測(cè)來反饋粘接區(qū)的結(jié)構(gòu)。

LBI檢測(cè)飛機(jī)構(gòu)件

波音公司宣稱，LBI是“檢測(cè)復(fù)合材料的有效方法”。LBI可用于復(fù)合材料-復(fù)合材料粘接，復(fù)合材料-金屬粘接，金屬-金屬粘接的強(qiáng)度檢測(cè)，并具備修復(fù)粘接結(jié)構(gòu)的潛力。在航空航天、機(jī)動(dòng)車與列車、風(fēng)力葉輪等構(gòu)件的制造領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

LBI需求的峰值功率密度一般小于4GW/cm²，同時(shí)需要對(duì)激光脈沖的寬度和波形進(jìn)行精確的控制，以使產(chǎn)生的應(yīng)力波能準(zhǔn)確的檢測(cè)弱粘接，同時(shí)不對(duì)正常粘接產(chǎn)生影響。Amplitude提供300ps - 微秒寬度、波形可任意編程的MOPA激光器Intrepid以及Agilite系列，能量覆蓋數(shù)百毫焦 - 焦耳量級(jí)，非常適合LBI研究和LBI設(shè)備制造；同時(shí)，配合Premiumlite 放大系統(tǒng)，可獲得更高能量，實(shí)現(xiàn)大面積、高產(chǎn)率的激光粘接檢測(cè)。

• 動(dòng)態(tài)壓縮

X射線衍射是研究材料結(jié)構(gòu)的重要方法。在X射線衍射測(cè)試中，對(duì)材料施加外加的高壓，造成材料應(yīng)力、晶格參數(shù)乃至物相的變化，對(duì)研究材料的在壓縮過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)方程、熔化、相變、聲速、晶體結(jié)構(gòu)、溫度變化以及非平衡動(dòng)力學(xué)等等過程有重要意義。

采用激光產(chǎn)生沖擊波，在極端的時(shí)間內(nèi)壓縮材料，具備系列的優(yōu)勢(shì)：

• 超快速壓縮，體現(xiàn)與靜態(tài)壓縮不同的特性，尤其是非平衡動(dòng)態(tài)過程；
• 模擬地表無法實(shí)現(xiàn)的極端高溫和高壓條件；
• 實(shí)現(xiàn)只有在星體核心才會(huì)出現(xiàn)的奇異晶態(tài)。

動(dòng)態(tài)壓縮X射線衍射示意

大能量、高功率的脈沖激光系統(tǒng)已經(jīng)越來越多的裝配于全球各地的同步輻射線站，用于動(dòng)態(tài)壓縮研究。Amplitede提供 Intrepid (HE) 以及 Atilite (HE)系列，分別適用于短脈沖和長(zhǎng)脈沖需求：

• 可編程的脈沖形狀，模擬各種物理過程；
• 高達(dá)數(shù)十焦耳的單脈沖能量，亞納秒 - 微秒解決方案；
• 可實(shí)現(xiàn)與脈沖光源同步，進(jìn)行時(shí)間分辨研究；
• Nd:Glass 系統(tǒng)提供直達(dá)千焦的潛力。