高功率大能量纳秒激光器的典型应用
啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification, CPA)技术是产生超短脉冲、超高峰值功率激光的一种技术。作为商品化TW - PW 飞秒激光器制造商,Amplitude在钛宝石泵浦领域具备多年的经验和技术。
Amplitude提供从10焦耳级到200焦耳级纳秒绿光激光器,满足您百太瓦直至10拍瓦量级高功率钛宝石激光器的泵浦光需求;专为泵浦优化的均匀光斑,使得钛宝石可输出质量的激光。Amplitude可供钛宝石住放大级选用的泵浦源系列:
系列 | 绿光能量 | 重复频率 | 备注 |
Titan | 6J - 12J | 1 - 5Hz | |
Constellation | 15J - 30J | 0.1Hz | |
| 75J - 150J | 1shot/min | |
Premiumlite-YAG | 55J | 10Hz | |
Premiumlite-Glass | 200J | 0.1Hz | |
与钛宝石CPA系统不同,OPCPA采用光学参量放大(Optical Parametric Amplification)过程来放大啁啾脉冲。在OPCPA系统中,为保证对各频谱分量的同等增益,要求脉冲的时间波形为平顶;Amplitude Agilite 及Intrepid系列提供百皮秒 - 微秒脉宽、脉冲波形可编程的输出,非常适合OPCPA泵浦。Agilite及Intrepid可单独使用,提供焦耳级绿光输出;同时可作为Premiumlite的前端,输出数十焦的绿光。
Eli - ALPS 2PW/10Hz系统
经过数十年的发展,激光冲击强化(Laser Shock Peening)已从实验室走向市场,逐渐成为制造业金属材料部件强化的关键技术甚至标准技术。
激光冲击强化示意图
激光冲击强化通常采用纳秒尺度的大能量激光。待处理工件表面覆以不透明吸收层以及约束层,激光被吸收层吸收之后产生等离子体;在约束层的限制下,等离子体的爆炸在材料表面产生强烈的冲击波并向材料内部内传播。经过处理的材料产生相变和应力,可以非常显著的提升材料的强度、耐磨性、抗疲劳特性;冲击强化还可用于金属疲劳恢复。
激光冲击强化已被波音等高技术公司实际运用,适用于:
l 航空发动机叶片
l 飞机蒙皮、铆钉等部件
l 汽车发动机活塞、气缸等部件
l 特种管道的焊缝
激光冲击强化通常需要4~10GW/cm2的峰值功率密度,也就意味着处理1cm2面积需要10J能量。传统激光器能量和重频的矛盾,限制了激光冲击强化工艺的速度和产率。
Amplitude 提供系列激光器,可用于实验室研究及工业应用。尤其是Premiumlite-YAG激光器,其重复频率比现有同等能量激光器高10倍,特别适合高产率冲击强化工业应用。
可用于冲击强化的激光器:
型号 | 脉冲能量 | 重频 | 特点 |
Titan | 8J | 5Hz | 适合实验室研究及小面积工件强化应用 |
Constellation | 30J | 0.1Hz | 较大面积、低产率 |
Intrepid | 4J | 10Hz | 可调波形,可研究不同波形冲击波及强化效果的影响 |
Premiumlite-YAG Intrepid-YAG | 75J | 10Hz | 大面积、大产率冲击强化应用 |
复合材料以其强度高、比重轻、成本优的优势正越来越多的使用于飞机、航天器、列车、汽车、风力发电机等关键部件上。在使用时,通常将复合材料粘接、或将复合材料与其他材料粘接起来使用。其粘接的质量无疑对终应用中的强度、寿命、可靠性有决定性影响。对复合材料粘接效果的检测直接关系到生产与运输的安全。
复合材料的粘接缺陷
复合材料的粘接缺陷包括空泡 (voids),杂质 (inclusion),以及吻接(kissing bond)等,会严重影响材料的强度和可靠性。这些缺陷从外观*无法检出,常规的非破坏性检测(如X射线、超声波等)因为衬度过低,无法有效检测这些缺陷。
激光粘接检(Laser Bonding Inspection, LBI)测是一种有效、便捷、无损的复合材料粘接检测技术。脉冲激光在复合材料表面产生压剪应力波(与激光冲击强化类似但所使用的激光强度较弱)。压力波在后一个表面以张力波的形式反射,并对检测区形成“拉扯”作用,从而将较弱的粘接拉开。
通过选择合理的激光能量、脉冲宽度、脉冲波形,可以使得正常粘接在多次激光作用后*无损,而对弱粘接产生破坏。同时可以通过对压力、张力波的实时检测来反馈粘接区的结构。
LBI检测飞机构件
波音公司宣称,LBI是“检测复合材料的有效方法”。LBI可用于复合材料-复合材料粘接,复合材料-金属粘接,金属-金属粘接的强度检测,并具备修复粘接结构的潜力。在航空航天、机动车与列车、风力叶轮等构件的制造领域有广泛的应用。
LBI需求的峰值功率密度一般小于4GW/cm2,同时需要对激光脉冲的宽度和波形进行的控制,以使产生的应力波能准确的检测弱粘接,同时不对正常粘接产生影响。Amplitude提供300ps - 微秒宽度、波形可任意编程的MOPA激光器Intrepid以及Agilite系列,能量覆盖数百毫焦 - 焦耳量级,非常适合LBI研究和LBI设备制造;同时,配合Premiumlite 放大系统,可获得更高能量,实现大面积、高产率的激光粘接检测。
X射线衍射是研究材料结构的重要方法。在X射线衍射测试中,对材料施加外加的高压,造成材料应力、晶格参数乃至物相的变化,对研究材料的在压缩过程中的应力应变状态方程、熔化、相变、声速、晶体结构、温度变化以及非平衡动力学等等过程有重要意义。
采用激光产生冲击波,在端的时间内压缩材料,具备系列的优势:
- 超快速压缩,体现与静态压缩不同的特性,尤其是非平衡动态过程;
- 模拟地表无法实现的端高温和高压条件;
- 实现只有在星体核心才会出现的奇异晶态。
动态压缩X射线衍射示意
大能量、高功率的脉冲激光系统已经越来越多的装配于各地的同步辐射线站,用于动态压缩研究。Amplitede提供 Intrepid (HE) 以及 Atilite (HE)系列,分别适用于短脉冲和长脉冲需求:
- 可编程的脉冲形状,模拟各种物理过程;
- 高达数十焦耳的单脉冲能量,亚纳秒 - 微秒解决方案;
- 可实现与脉冲光源同步,进行时间分辨研究;
- Nd:Glass 系统提供直达千焦的潜力。