激光的光學(xué)器件的選擇和實(shí)驗(yàn)

1、激光的光學(xué)器件的選擇和實(shí)驗(yàn)圏2為激壯嘯九遇化的原理圖，債屈試樣表面涂有不透明的吸牧層和透叩的約束層.通常使用鋁箔.黑灤或黑膠帶作為吸收層，流水或有機(jī)玻璃作為釣束層*尚能短脈沖激光束經(jīng)過聚焦透鏡聚到試樣表面的吸收層.吸收層吸收激光能毘后變?yōu)楦吣艿入xf體,粽離子體迅速膨勲在的束從的制約卜爆炸形戚島能沖擊彼*沖舟波沿金誠內(nèi)部便播。當(dāng)激比誘導(dǎo)產(chǎn)生沖甫波的壓力大丁材料的動(dòng)態(tài)屈眼強(qiáng)度時(shí)”該反域的材料仝在極短時(shí)間內(nèi)以超島強(qiáng)變率（高達(dá)OhQ7S咸級）發(fā)t塑竹:形變.產(chǎn)生我余壓應(yīng)力，改善了材料的WT夢機(jī)械性能.如農(nóng)面硬度、抗腐迪件、耐齪件和疲勞強(qiáng)度等|2R|,29LFikii%p*IpiiiKclacrriii

2、ppciplhii口Fikii%p*IpiiiKclacrriiippciplhii口T(aiiihuemlOvtriki).AbsktrhcnfC>uiingMeijJTsirgrtIS2J激疋噹丸的席理期FigJIEbeprincipleoftaserpeening1呵為了達(dá)和激光噴丸強(qiáng)化所需輕的超啟I應(yīng)變率*盂餐強(qiáng)化農(nóng)g的激克功率帶度達(dá)到GW/cm2,因此對招應(yīng)的光學(xué)器件有特蛛的卷求.2.2激光的光源和耦合激光的光源激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)需要激光器的脈沖短、功率密度高，因此用于激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域的激光器必須定短脈沖島功率激光裝賈，如紅寶石激光器、CO2激光器、N止Glass激光器激光器、N

3、d:YAG激光器和金綠寶石激光器等。但是，常用于金屬材料改性的有紅寶石激光器、Nd:Glass激光器及Nd:YAG激光器卩2.本節(jié)首先分別介紹對比了這三種激光器，并最終根據(jù)激光沖擊強(qiáng)化的要求選擇了合適的激光器。紅寶石激光器的工作物質(zhì)足紅寶石棒。在激光器的設(shè)想捉出不久，紅寶石就被肯先用*制成了世界上第一臺激光器。因?yàn)榧t寶石激光器屬于三能級系統(tǒng)，所以具有閾值較高、功率較低、不易操作等缺點(diǎn)。此外，溫度對其輸出特性的勒響較大.紅寶石激光器工作過程中.由于各種原因會(huì)造成工作物質(zhì)溫度升高，紅寶石晶體的熒光凰子效率(彷會(huì)隨溫度的升商而降低.低溫時(shí)，協(xié)接近1,紅寶石品體室溫時(shí)久=0.7,般為0.5：在300&

4、quot;C時(shí)下降到0.1。久減小，激光増益減少，閾值升高，效率會(huì)降低。另外晶體溫度的變化會(huì)引起激光波長的變化，造成譜線加寬，導(dǎo)致激光工作的不稔定】。妝玻璃作為激光工作物質(zhì)具有易加工、尺寸大、價(jià)格低和均勻性好等特點(diǎn)，由于它屬于四能級系統(tǒng).具有較陽的輸出效率。但是放玻璃激光器輸出激光的單色性很差，同時(shí)鉉玻璃的導(dǎo)熱率低、震蕩閾值又高，這使得妝玻璃激光器不宜用于連續(xù)和海重賛頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。N止YAG,全稱為NeodymiumdopedYttriumAluminiumGarnet(Nd：YjAlsOn)屬于四能級系統(tǒng)，具有fit子效率較高、受激輻射截面大的的優(yōu)點(diǎn)，其閾值比紅寶石和飲玻璃激光器小得多，而且鎧鋁

5、石榴石晶體還具有較島的導(dǎo)熱率，易于散熱，因此Nd:YAG激光器不僅可以單次脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，還可用于高重復(fù)頻率或連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，是目前研究使用的比較廣泛的激光材料卩嘰因此.最終確定使用髙功率Nd:YAG激光器作為光纖傳輸激光噴丸強(qiáng)化的光222激光與光殲的合透fit由于Nd:YAG激光器具有較好的單色性.因此在設(shè)計(jì)光纖耦合系統(tǒng)時(shí)可以不考虎色差對耦合效率的形響目前的光纖耦合系統(tǒng)大多采用透鏡將激光宜接精合入光纖，常用的耦合透鏡組有兩種】，如圖2.2所示.雖然趙興海等人嘗試在光纖入光端加入導(dǎo)光錐以提高激光的耦合效率120】，降低激光和光纖的耦合損耗，但砒時(shí)反而在導(dǎo)光錐和光纖入光端加入新的耦合攝耗，增加了加工的難度，

6、降低了實(shí)際可行性.故不采納.(a)傳純?nèi)竷讲搴舷到y(tǒng)(b)合系純(a)Tt&ditionaJcouplingsystem(b)Simplecouplingsystem圖2.2兩ft*見的光殲駅合系。習(xí)由圖2.2(a)所示，這是一種由六個(gè)折射面構(gòu)成的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，光束質(zhì)量更好，耦合效果更佳，但是在實(shí)際工作中，高能激光會(huì)在各個(gè)光學(xué)界面之何反射,激光的能在傳播中被透鏡自身吸收，使透鏡的溫度上升，形響光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能，甚至可能會(huì)損傷光學(xué)系統(tǒng)本身，另一種是由單透鏡構(gòu)成的簡單光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易于加工等特點(diǎn)，満足本光纖傳輸激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)的要求。因此.采用單透憶作為4纖傳

7、輸激光畋丸強(qiáng)化的耦合系統(tǒng)。圖2.3就垮實(shí)際來用的光壞報(bào)合集統(tǒng)Fi&23Thefibercouplingsystemeventuallyusedinpractice根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體情況.這里選擇焦距為100mm.由BK7玻璃構(gòu)成的平凸透鏡作為耦合透鏡，透鏡表面鍍有MgF2增透膜，如圖2.3所示。2.23波長的選擇-般Nd:YAG激光器的工作的波長有三種，即1064nm,532nm和355nm。由于激光在采用波長為1064nm時(shí)可以輸出較高的功率密度.因此大多數(shù)激光噴丸強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)中采用的波長為1064nm,但是因?yàn)榧す獠ㄩL的選擇對激光噴丸強(qiáng)化效果的影響較小，可以根抑實(shí)際條件選擇激光器的工作波

8、長。對于一個(gè)有效光束直徑d,其嚴(yán)后的光斑尺寸W和波長入成正比，與數(shù)值孔徑NA成反比，即兀NA（2.1）由公式（2.1）可以看出，在激光器出光有效光束宜徑一定的條件下（本激光器為9mm）,波長越短，經(jīng)過耦合透鏡得到的光斑越小，激光進(jìn)入光纖的耦合率越高1。此外，實(shí)驗(yàn)中需要激光脈沖的能St從小到大逐漸増大而本激光器在波長為1064nm時(shí)的最小能量為80mJ,不利于光纖端面閾值的測試。最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際條件，選擇532nm作為工作波長，在焦點(diǎn)處形成的光斑宜徑為0.4mm。實(shí)際激光器有兩個(gè)出光口，如左圖2.2所示，左側(cè)為正常1064nm出光口，右側(cè)為532nm出光口，裝冇倍頻品體，將紅外1064nm光

9、轉(zhuǎn)化為綠光532nm耦合透鏡對纖芯直徑的要求一條激光在經(jīng)過一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)后，為了滿足光纖的耦合條件，需要使激光的束腌半徑力與發(fā)散角0相匹配，從而使激光可以順利地耦合入光纖。根據(jù)激光束與光纖的耦合條件.耦合系統(tǒng)在光纖耦合端面上呈現(xiàn)的激光光斑半徑心，和發(fā)散全角九,應(yīng)同時(shí)滿足卩叫dg,Vcon（2.2）(23)仏“v2arcsin(必)具體如圖2.4所示,Je<eown圖2.4澈光與尢幵的揚(yáng)合條屮刊Fig.2.4Thecouplingconditionoflaserandopticalfibe341一般在描述激光光束性質(zhì)的好壞時(shí)，經(jīng)常使用一個(gè)評價(jià)參數(shù)一光束參數(shù)乘枳<BBP)>BBP的

10、定義如下：(2.4)BBP=4根據(jù)赫姆霍茲不變量的定義.在沒有光闌和線差的時(shí)候，即使光學(xué)系統(tǒng)變化.光束參數(shù)乘積(BBP)不會(huì)變化，即對于任意一束激光而言，光束參數(shù)乘積(BBP)是一個(gè)固定值從公式(2.2人(23).(2.4)可以推出：時(shí)=心arcsin(M)(2.5)公式(2.5)對于光纖耦合而言是一個(gè)非常匝要的條件。一般Nd:YAG激光器光束的光束參數(shù)乘積(BBP)較大，因此為了保證激光束可以與光纖可以得到更好的耦合率，需要根據(jù)公式(2.5)來選擇光纖參數(shù).假設(shè)光纖為一個(gè)圓形孔徑.按照公式(2.2)的要求由于光的衍射效應(yīng).光束在通過這個(gè)孔徑時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量的損耗.咸模高斯光束的光強(qiáng)分布為：(2.

11、6)式中.x為到光斑中心的距離.w為光斑的半徑I。為光束中心處的光強(qiáng)。丁上=I/(小帀如竹一下一因此.對于個(gè)半徑為a的圓形孔徑，基模高斯光束在通過后可以得到透過率T.即功率Pa與總功率P的比為卩叫(2.7)(2.7)2am,=l-exp(_nj£/(x)2衣如&通過公式(2.7),町以徇出激光與光纖耦合時(shí)激光能1ft的相對衍射損耗為(2.8)其中，尸為纖芯半徑，w為光纖端血處的光斑半徑。2、圖2.5犧合時(shí)光斑與光壞奸芯的示立圖為了更好地將激光耦介入光纖，通常將光纖前端放臂在距離透鏡焦點(diǎn)兒個(gè)亳米外的地方。山于激光在束腰處的宜徑為0.4mm,而光纖纖芯必須大于光斑直徑通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w=f尸時(shí)，相對衍射損耗在光纖端面處僅僅為w/w=l%。因此，為了得到較島的光纖耦合效率，需耍使光纖端面處的激光光斑半徑小于芯徑的2/3,如圖2.5所示.的扌.因此，光纖纖芯自徑需咚大于0.6mmA能實(shí)現(xiàn)較島的耦合效凈*冋時(shí)，為了防止熱效應(yīng)影響激光系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，并便光纖連接器仃更人的容繪，激光聚焦的光斑要盡可能的比纖芯白徑小。此外，激光的光束質(zhì)尿和光纖的數(shù)值孔徑也対光纖的耦合效率有-定的彩響假設(shè)只有比光纖住徑80%小的部分會(huì)被使用，則光纖的最小育徑d可由M?、K、久和