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高功率大能量納秒激光器的典型應用

更新更新時間:2019-05-14 點擊次數:3067

高功率大能量納秒激光器的典型應用

  • 鈦寶石激光器泵浦

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

Amplitude提供從10焦耳級到200焦耳級納秒綠光激光器,滿足您百太瓦直至10拍瓦量級高功率鈦寶石激光器的泵浦光需求;專為泵浦優化的均勻光斑,使得鈦寶石可輸出質量的激光。Amplitude可供鈦寶石住放大級選用的泵浦源系列:

 

系列

綠光能量

重復頻率

備注

Titan

6J - 12J

1 - 5Hz

 

Constellation

15J - 30J

0.1Hz

 

 

75J - 150J

1shot/min

 

Premiumlite-YAG

55J

10Hz

 

Premiumlite-Glass

200J

0.1Hz

 

 

  • OPCPA泵浦

與鈦寶石CPA系統不同,OPCPA采用光學參量放大(Optical Parametric Amplification)過程來放大啁啾脈沖。在OPCPA系統中,為保證對各頻譜分量的同等增益,要求脈沖的時間波形為平頂;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可單獨使用,提供焦耳級綠光輸出;同時可作為Premiumlite的前端,輸出數十焦的綠光。

 

Eli - ALPS 2PW/10Hz系統

  • 激光沖擊強化

經過數十年的發展,激光沖擊強化(Laser Shock Peening)已從實驗室走向市場,逐漸成為制造業金屬材料部件強化的關鍵技術甚至標準技術。

 

激光沖擊強化示意圖

激光沖擊強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生強烈的沖擊波并向材料內部內傳播。經過處理的材料產生相變和應力,可以非常顯著的提升材料的強度、耐磨性、抗疲勞特性;沖擊強化還可用于金屬疲勞恢復。

激光沖擊強化已被波音等高技術公司實際運用,適用于:

航空發動機葉片

飛機蒙皮、鉚釘等部件

汽車發動機活塞、氣缸等部件

特種管道的焊縫

激光沖擊強化通常需要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。傳統激光器能量和重頻的矛盾,限制了激光沖擊強化工藝的速度和產率。

Amplitude 提供系列激光器,可用于實驗室研究及工業應用。尤其是Premiumlite-YAG激光器,其重復頻率比現有同等能量激光器高10倍,特別適合高產率沖擊強化工業應用。

可用于沖擊強化的激光器:

 

型號

脈沖能量

重頻

特點

Titan

8J

5Hz

適合實驗室研究及小面積工件強化應用

Constellation

30J

0.1Hz

較大面積、低產率

Intrepid

4J

10Hz

可調波形,可研究不同波形沖擊波及強化效果的影響

Premiumlite-YAG

Intrepid-YAG

75J

10Hz

大面積、大產率沖擊強化應用

 

  • 復合材料粘接檢測

復合材料以其強度高、比重輕、成本優的優勢正越來越多的使用于飛機、航天器、列車、汽車、風力發電機等關鍵部件上。在使用時,通常將復合材料粘接、或將復合材料與其他材料粘接起來使用。其粘接的質量無疑對終應用中的強度、壽命、可靠性有決定性影響。對復合材料粘接效果的檢測直接關系到生產與運輸的安全。

 

復合材料的粘接缺陷

 

復合材料的粘接缺陷包括空泡 (voids),雜質 (inclusion),以及吻接(kissing bond)等,會嚴重影響材料的強度和可靠性。這些缺陷從外觀*無法檢出,常規的非破壞性檢測(如X射線、超聲波等)因為襯度過低,無法有效檢測這些缺陷。

激光粘接檢(Laser Bonding Inspection, LBI)測是一種有效、便捷、無損的復合材料粘接檢測技術。脈沖激光在復合材料表面產生壓剪應力波(與激光沖擊強化類似但所使用的激光強度較弱)。壓力波在后一個表面以張力波的形式反射,并對檢測區形成“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*無損,而對弱粘接產生破壞。同時可以通過對壓力、張力波的實時檢測來反饋粘接區的結構。

 

LBI檢測飛機構件

波音公司宣稱,LBI是“檢測復合材料的有效方法”。LBI可用于復合材料-復合材料粘接,復合材料-金屬粘接,金屬-金屬粘接的強度檢測,并具備修復粘接結構的潛力。在航空航天、機動車與列車、風力葉輪等構件的制造領域有廣泛的應用。

LBI需求的峰值功率密度一般小于4GW/cm2,同時需要對激光脈沖的寬度和波形進行的控制,以使產生的應力波能準確的檢測弱粘接,同時不對正常粘接產生影響。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,能量覆蓋數百毫焦 - 焦耳量級,非常適合LBI研究和LBI設備制造;同時,配合Premiumlite 放大系統,可獲得更高能量,實現大面積、高產率的激光粘接檢測。

 

  • 動態壓縮

X射線衍射是研究材料結構的重要方法。在X射線衍射測試中,對材料施加外加的高壓,造成材料應力、晶格參數乃至物相的變化,對研究材料的在壓縮過程中的應力應變狀態方程、熔化、相變、聲速、晶體結構、溫度變化以及非平衡動力學等等過程有重要意義。

采用激光產生沖擊波,在端的時間內壓縮材料,具備系列的優勢:

  • 超快速壓縮,體現與靜態壓縮不同的特性,尤其是非平衡動態過程;
  • 模擬地表無法實現的端高溫和高壓條件;
  • 實現只有在星體核心才會出現的奇異晶態。

 

動態壓縮X射線衍射示意

大能量、高功率的脈沖激光系統已經越來越多的裝配于各地的同步輻射線站,用于動態壓縮研究。Amplitede提供 Intrepid (HE) 以及 Atilite (HE)系列,分別適用于短脈沖和長脈沖需求:

  • 可編程的脈沖形狀,模擬各種物理過程;
  • 高達數十焦耳的單脈沖能量,亞納秒 - 微秒解決方案;
  • 可實現與脈沖光源同步,進行時間分辨研究;
  • Nd:Glass 系統提供直達千焦的潛力。

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