【正文】 操和回路為以上各電路提供正常、協(xié)調(diào)的工作，并提供各種安全、保護功能。交流電源儲能放電電路燈充電電路控制電路觸發(fā)電路預燃電路圖38 脈沖固體激光器電源系統(tǒng)的方框圖fig 38 block diagram of power supply for the pulse laser電路工作原理是：當觸發(fā)電路給氙燈提供一個高壓觸發(fā)脈沖時，燈內(nèi)氣體擊穿，進擴低阻狀態(tài)。石英旋轉(zhuǎn)器將激光電場的兩個分量都作90度旋轉(zhuǎn)，于是在第一根棒中沿徑向偏振分量振分量將在第二根棒中沿切向偏振，因此在第一根棒中引起的相位差被第二根棒所抵消。當tpτ,即低重復頻率工作時，下一泵浦脈沖開始前，激光棒內(nèi)溫度分布已達常溫熱平衡態(tài)，后一泵浦脈沖產(chǎn)生棒內(nèi)溫度分布不受前面的影響，與單脈沖泵浦時類似。泵浦光脈寬很寬，為毫秒或微秒量級，而激光棒溫度上升速率比冷卻散熱溫度下降速率快得多。m圖36 聚光腔常用金屬的反射率與波長的關(guān)系fig 36 the relation between the wave length and the reflectivity of the metal which was used in the prefocus cavitycavity andNd:YAG的基本泵浦帶是730760nm及790820nm選用脈沖氙燈作為泵浦源,燈的充氣壓為4104Pa,能將40%60%的輸入電能轉(zhuǎn)換成光輻射.對于固體激光器而言,輸入的總能量中只有少部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨敵?:泵浦帶和激光上能級間的能量差以熱的形式散逸到基質(zhì)中,引起的量子虧損熱。在偏心率e=c/a。在計算橢圓結(jié)構(gòu)效率的理論表達式中，泵浦系統(tǒng)通常以棒與燈半徑之比rR/rL,燈的半徑與橢圓長半徑之比rL./a,偏心率e=c/a來表示，其中2c是焦點間距。2a2c2b2rR2rL燈棒θP0θ0α0lLlR圖34 聚光腔腔形fig 34 the shape of prefocus cavity通常意義的成像對于橢圓柱腔來說是不適用的，因為從泵浦源某點以不同方向輻射的光線經(jīng)腔內(nèi)反射后聚在不同的點上。這使橢圓柱在光學上等效為無限長。我們采用在側(cè)面泵浦系統(tǒng)，即在內(nèi)表面具有高反射率橢圓柱體內(nèi)，激光棒和泵浦燈分別配置在橢圓柱的兩條焦線上。為非輻射躍遷的量子效率式中 (312)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度， (313)為推導方便，引進變量s,令，則 (314) (315)式中為T=0時工作物質(zhì)吸收的閾值泵浦能量， (316)將E對s求導，根據(jù)極大值條件，可求出能量最大時s的最佳值sm. (317)所以 (318)對于長脈沖激勵時的最佳透射率為 (319) (320)一般聲光脈沖激光器的輸出鏡透過率很難用解析式計算，我們采用實驗的方法確定。棒上基模光斑半徑及模體積圖32 中棒長lrod=120mm, 則主面位置h=lrod/2n=33mm,λ=λ0/n, n=,棒的主平面上基模光斑半徑ω0L化簡為 (38)在穩(wěn)區(qū)內(nèi)取不同d值，求得相應主平面上的基模光斑半徑ω0L。諧振腔腔長的選擇基于三方面的考慮，諧振腔在最大泵浦功率時不進入非穩(wěn)定區(qū)， Q開關(guān)的調(diào)制脈沖短，盡可能好的光束質(zhì)量。我們采用平行平面腔這種臨界腔的設(shè)計方案，其性質(zhì)界于穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔之間。 代入(218)、(227)、(228)式，得：。0。0。162。0E2^E1^nsE2//nsI162。0，I162。0，I162。. 雙聲光調(diào)Q開關(guān)的衍射損耗分析大功率Nd:YAG激光器的Q開關(guān)一般采用喇曼奈斯衍射，根據(jù)聲光相互作用理論[6]，0級光和0級光兩側(cè)的各級衍射光的光強關(guān)系為： (215)其中，、分別是喇曼奈斯衍射0級光和0級光兩側(cè)的各級(第m級)衍射光的光強，M2是器件的聲光優(yōu)質(zhì)，超聲波為縱波時，聲波垂直、平行于偏振光的聲光優(yōu)質(zhì)不同。Nd:YAG激光為非偏振光，在腔內(nèi)插入起偏元件，雖然能提高衍射效率，但由于插入損耗大，同時，Nd:YAG存在退偏現(xiàn)象，大功率Nd:YAG激光腔內(nèi)聲光調(diào)Q，不宜采用插入起偏元件的方法提高聲光Q開關(guān)的關(guān)斷性能。駐波的振幅為極大,等于2A,這些點稱為駐波的波腹。介質(zhì)折射率的增大和減小是交替變化的，并以聲速vs向前推進。衍射光的強度、頻率、方向都隨著超聲場而變化。在此基礎(chǔ)上，研制一套基于脈沖氙燈泵浦的高峰值功率，窄脈寬，高重復頻率的聲光調(diào)Q激光設(shè)備。綜上所述，目前國內(nèi)外對激光器的研究主要集中在脈沖基礎(chǔ)上電光調(diào)Q和連續(xù)激光器的聲光調(diào)Q方面，脈沖激光器的泵浦抽運速度快，基于此基礎(chǔ)上的電光調(diào)Q可獲得較高的峰值功率，連續(xù)激光器的泵浦抽運速率小，但在此基礎(chǔ)上的聲光調(diào)Q可具有較高的重復頻率。1999年，美國GE公司開始研制針對聲光調(diào)Q脈沖YAG激光器。93年聯(lián)邦德國報道了關(guān)于高光束質(zhì)量和高輸出功率的聲光調(diào)Q Nd：YAG激光器的研制。仍需進行后序加工處理（如磨粒流加工）消除再鑄層，提高工件耐疲勞性能。轉(zhuǎn)盤也是一個Q開關(guān)，當轉(zhuǎn)盤處于把激光諧振腔的光路完全切斷時，腔內(nèi)損耗最大，不能輸出激光。加深孔的深度,降低錐度,提高孔的光潔度和穩(wěn)定度,研究表明,[7,25,34]在采用一組重復周期大于材料凝固時間的有規(guī)則尖峰脈沖打孔時,由于每一個脈沖具有一定的能量,當系列脈沖依次到達材料上時,就和材料依次發(fā)生相互作用,使孔增加一定的深度,孔的增深隨著打孔的脈沖次數(shù)而增加,并逐漸向材料內(nèi)部推進,通過改變加工工件和光學系統(tǒng)的相對位置,液態(tài)材料的重新分布對孔形的影響會在多脈沖組打孔中得到消除,.對YAG脈沖激光進行超聲調(diào)制，原理是在激光諧振腔的全反鏡安裝在超聲換能器、變輻桿的端面上。但這種調(diào)Q的方法，對轉(zhuǎn)速要求很高，否則會因為慢開關(guān)效應產(chǎn)生多脈沖，通常的機械軸承高速電機的轉(zhuǎn)速難以超過60000轉(zhuǎn)/分。全反鏡通常采用直角棱鏡。為了獲得高峰值功率，窄脈寬的，小能量的脈沖輸出，人們對各種激光器進行調(diào)制,[18]以獲得所需的脈沖輸出。[21]這方面的研究成果對我國，尤其是我國的軍事領(lǐng)域進行技術(shù)封鎖。這在另一方面又限制了激光打孔在工業(yè)中的廣泛應用。也易于大多數(shù)金屬吸收。發(fā)動機可獲得更高的燃燒溫度和燃油效率。在如此高的溫度下，如不采取對燃燒室和渦輪機葉片的冷卻必然會使這些部件很快失效。第1章 緒論脈沖激光聲光調(diào)Q系統(tǒng)畢業(yè)論文摘 要 3ABSTRACT 4第1章 緒論 5 5 5 6 9第2章 聲光調(diào)Q理論分析 10 10 聲光調(diào)Q 13 聲光調(diào)Q基本原理 13 雙聲光調(diào)Q開關(guān)的衍射損耗分析 14第3章 脈沖激光聲光調(diào)Q系統(tǒng) 18 激光器的結(jié)構(gòu) 18 諧振腔的設(shè)計 18 脈沖激光器最佳透射率 21 23 27 27 31 31 33 氣體放電燈的觸發(fā)、預燃及放電開關(guān) 35 39 40 41 46第4章 實驗研究 47 47 聲光器件關(guān)斷能力的實驗 50 聲光調(diào)制激光輸出的脈寬 50 52 54 56 57 59 60 60 61 61結(jié) 論 64附錄1 參考文獻 65附錄2攻讀碩士學位期間所發(fā)表的論文 68附錄3 致謝 6969摘 要本文圍繞著與JS50高能束流加工技術(shù)國防科技重點實驗室合作項目“高峰值功率聲光調(diào)Q脈沖YAG激光打孔機理研究”，在自由運轉(zhuǎn)脈沖激光器的基礎(chǔ)上進行聲光調(diào)Q以獲得高峰值功率脈沖序列，從理論和實驗兩方面進行了研究，并針對航空飛機發(fā)動機用鎳基高溫合金進行了初步打孔實驗。為了提高航空發(fā)動機的效率，需要增加燃燒室的溫度，典型的高性能航空發(fā)動機燃燒室的溫度可達18502000攝氏度。從發(fā)動機溫度低的部位引入冷空氣。激光打孔由于對工具無磨損，因有光學系統(tǒng)調(diào)整，打孔位置準確；無切削力，因此無轉(zhuǎn)模裝夾問題易實現(xiàn)自動控制，可連續(xù)打孔，操作打孔省時；加工范圍廣；可打高寬比大的微孔[3,4,17,28,29]（）；入孔角小，可與表面成 近似0度。但由于存在著加工出的孔形質(zhì)量差，重復性低，孔的錐度大，同時,激光打孔過程是一個高速熱沖擊過程,在此過程中,脈沖激光束攜帶的高密度能量快速集中在葉片上的很小范圍內(nèi)(),此范圍內(nèi)的材料瞬間液化基至氣化而噴出,沖擊點周圍熱應力梯度很大,伴隨著材料的局部徑向膨脹和壓縮,經(jīng)過這一過程,對孔的邊緣而言,而以沖擊點為中心的急劇徑向脹縮也會導致沿徑向分布的殘余應而導致在孔壁上存在再鑄層和裂紋等問題，這對于象飛機燃燒室及發(fā)動機葉片是極為不利的，應當盡量避免，否則會在很大程度上影響工件的使用壽命。傳統(tǒng)的激光器在光束質(zhì)量、脈寬和峰值功率上無法滿足要求，目前美德英法等西方發(fā)達國家正投入巨資以期望采用高光束質(zhì)量，高功率激光器來獲得。最常用的方法是采用自由運轉(zhuǎn)脈沖YAG激光[15,26]，其平均功率為350500W，重復頻率為3050赫茲，脈沖能量為10J，脈寬為豪秒，根據(jù)工業(yè)中的平均數(shù)據(jù)，環(huán)切一個孔的平均時間為410秒，單孔消耗能量為12001600焦耳，再鑄層厚度為100微米。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q：在一個脈沖激光器的基礎(chǔ)上用一個被高速馬達帶動旋轉(zhuǎn)的全反鏡代替原來固定的全反鏡而構(gòu)成。脈沖寬度為幾十納秒，峰值功率可達幾十兆瓦。如果使一次脈沖激光調(diào)制成斷斷續(xù)續(xù)的多次脈沖性的照射，就可以爆炸拋出。[19]轉(zhuǎn)盤式斬波調(diào)制[7]是90年代初期，國內(nèi)一些航空工藝研究單位所采用的一種新裝置，在固體激光器諧振腔內(nèi)的適當位置，安裝一個缺口轉(zhuǎn)盤，高速轉(zhuǎn)動，當激光輸出時，它將原來一個長脈寬 （大于1毫秒），脈沖能量為50焦耳的釹玻璃激光器的較平緩波形的激光脈沖波形，分割為幾個獨立的短脈寬尖峰狀的小脈沖輸出。但這種激光器的脈寬仍較大，單脈沖能量也較大。由于其具有高的峰值功率和重復頻率，大大提高了打孔的質(zhì)量和效率。1998年，柏林工業(yè)大學研制出實驗室型90W高光束質(zhì)量的聲光調(diào)Q激光器，實現(xiàn)了快速高速度高厚度材料的打孔，對不銹鋼的打孔厚度可達20 mm，孔徑比為200：1，但功率仍較低，不能打大直徑孔（如直徑500微米）。目前，國際上仍未有100W以上平均功率，高光束質(zhì)量脈沖聲光調(diào)Q列Nd:YAG激光的報道。與此同時，研究泵浦脈沖觸發(fā)信號與聲光調(diào)制器觸發(fā)信號的最佳匹配。當光波通過此介質(zhì)時，就會被介質(zhì)中的彈性波所衍射，這稱為彈光效應。行波所形成的聲光柵的柵面是在空間移動的。設(shè)在聲光介質(zhì)中，向相對方向傳播的兩組聲波（波長、相位和振幅均相同）的方程為 (22)應用疊加原理，得到合成的聲波方程為 (23)上式說明，相對傳播的兩組聲波振蕩的疊加會產(chǎn)生一種新波，其振幅為，在z軸上各點不同，但是振蕩相位在z 軸上各點均相同，即不隨空間位置變化，所以這種波稱為聲駐波。超聲波為縱波時，聲波垂直于偏振光的聲光優(yōu)質(zhì)是平行于偏振光的聲光優(yōu)質(zhì)的5倍；超聲波為橫波時，聲光優(yōu)質(zhì)與光的偏振態(tài)無關(guān)，但聲光優(yōu)質(zhì)是聲波垂直于偏振光的1/3[1]。在大功率Nd:YAG激光器腔內(nèi)，加入兩超聲場正交的聲光Q開關(guān)器件，使原來平行和垂直的兩部分偏振光都能垂直于聲波波面通過介質(zhì)，充分利用器件大的聲光優(yōu)質(zhì)，減小光偏振態(tài)對衍射光的影響，提高聲光Q開關(guān)在腔內(nèi)的衍射效率。光強為I0的非偏振光經(jīng)一聲光器件調(diào)制后，與聲場垂直和平行的0級光強分別為：， (216)則經(jīng)過一聲光器件調(diào)制后， 0級光強為： (217)由(215)式，衍射效率為： (218)(1)光通過兩聲場互相垂直的器件當光強為I0的非偏振光經(jīng)第一個聲光器件調(diào)制后，如圖21.(a)，圖21 光強為I0的非偏振光經(jīng)兩聲場互相垂直的器件，0級光強分別為I162。Fig 21 the unpolarized light through the two vertical sound field whose light intensity is I0,the light intensity of 0 level is I162。E1//I162。0I162。162。162。代入(215)式，計算得：。對大多數(shù)激光工作質(zhì)來說，適當結(jié)構(gòu)的諧振腔對激光的產(chǎn)生是必不可少的，它的作用在于提供光學正反饋，以便在腔內(nèi)建立和維持自激振蕩。激光棒直徑6mm，長110mm。諧振腔光束參數(shù)的計算在圖32中，設(shè)M1處的基模束腰半徑為ω01，將圖2中的諧振腔等效于一空腔，單程矩陣為 (36) 比較知： M1處的基模束腰半徑ω01表示為 (37)在穩(wěn)區(qū)內(nèi)，d取不同值計算ω01，限于聚光腔外型尺寸（長約270mm），d取太小無意義，所以dmin=100mm，當d=f時，ω01有最大值，在df,df時，對應ω01的值應相等。對于四能級系統(tǒng)激光短脈沖激勵時的輸出能量為 (311)，T為透射率，a為諧振腔往返凈損耗率。由于激光工作物質(zhì)和泵浦燈都安裝在聚光腔內(nèi)，合理設(shè)計聚光腔是決定固體激光器工作性能的重要條件之一。橢圓柱兩端各用一塊高反射率端板封住，兩個端板是互相平行的。在直管燈和有棒放在橢圓柱腔的焦點上的結(jié)構(gòu)中，泵浦源通常認為是具有朗伯輻射型的圓柱形輻射體，即這種光源從任何點上觀察它時，在橫斷面上的亮度都是一樣的。因此，對這種裝置的分析，可以認為光分布在垂直于橢圓柱腔縱軸的平面上而作為二維情況處理。與P0點相應角a0和θ0是分別從燈和棒的軸線處測量的，P0點可