【正文】 錄3 致謝 6969摘 要本文圍繞著與JS50高能束流加工技術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。發(fā)動機可獲得更高的燃燒溫度和燃油效率。這在另一方面又限制了激光打孔在工業(yè)中的廣泛應用。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。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。轉(zhuǎn)盤也是一個Q開關，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。93年聯(lián)邦德國報道了關于高光束質(zhì)量和高輸出功率的聲光調(diào)Q Nd：YAG激光器的研制。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，但在此基礎上的聲光調(diào)Q可具有較高的重復頻率。衍射光的強度、頻率、方向都隨著超聲場而變化。駐波的振幅為極大,等于2A,這些點稱為駐波的波腹。. 雙聲光調(diào)Q開關的衍射損耗分析大功率Nd:YAG激光器的Q開關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級光兩側的各級衍射光的光強關系為： (215)其中，、分別是喇曼奈斯衍射0級光和0級光兩側的各級(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。0，I162。162。0。我們采用平行平面腔這種臨界腔的設計方案，其性質(zhì)界于穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔之間。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。我們采用在側面泵浦系統(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。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。在偏心率e=c/a。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。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。充電電路在儲能網(wǎng)絡不放電時工作，為儲能網(wǎng)絡輸送電能；控制與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。 氣體放電燈的觸發(fā)、預燃及放電開關氣體放電燈中充有一定壓力的惰性氣體。由于觸發(fā)高壓與儲能電容器電壓并聯(lián)，故稱為并聯(lián)觸發(fā)。觸發(fā)脈沖僅在預燃建立初始起作用，預燃一旦建立，觸發(fā)電路退出工作。接通電源后，電源電壓E通過R3對C充電，電容電壓UC逐漸上升。R3C大，C充電慢；R3C小，C充電快。為實現(xiàn)對脈沖激光的聲光調(diào)制，聲光調(diào)制器的調(diào)制信號必須與激光器的燈泵浦脈沖同步，以保證脈沖序列所包含的每一個單脈沖有最大的輸出能量并穩(wěn)定輸出。激光電源中，由信號觸發(fā)到充放電回路完成充電，直至點燃氙燈有一段時間延遲。s左右，一部分是超聲波通過光束時所需要的時間即“渡越時間”。即通過給出波形中各個轉(zhuǎn)折點的坐標來確定所編輯的波形。 4: 激光棒。 3,: Acustooptical Qswitch。 11:electrophotonic detector 12 oscilloscope 123456789101112產(chǎn)生穩(wěn)定的聲光調(diào)Q脈沖激光輸出，首先需要調(diào)整可調(diào)延時器，使聲光Q開關的調(diào)制脈沖與激光脈沖同步。在此激光器中加入雙聲光Q開關，設計的新的激光器系統(tǒng)如圖3。 5: 激光棒。 3,4: Acustooptical Qswitch。 12: power divider實驗中，聲光Q開關采用相同的驅(qū)動功率40W。 10: waveform generator。 11: Q開關驅(qū)動源。1,2: 腔鏡。獲得的波形輸出圖如下:在延遲時間為150微秒左右的時候，可以獲得較好的脈沖輸出序列，在延遲250微秒時，調(diào)制信號與自由運轉(zhuǎn)激光脈沖在時域上有較大的差異，輸出的高峰值脈沖與調(diào)制波形基本不對應。 9: waveform generator。 10: Q開關驅(qū)動源。1, 2, 腔鏡。s200181。這段時間一般為數(shù)十微秒量級。因而調(diào)制信號與自由運轉(zhuǎn)激光脈沖在時域上必須有嚴格的對應關系，由圖318所示，引出后的脈沖觸發(fā)信號分為兩路，其中一支路用于觸發(fā)放電回路點燃氙燈，泵浦工作物質(zhì)。R2的阻值一般為200600歐。所以R1上得到一個短暫的脈沖電壓。用單晶管觸發(fā)可控硅控制的氙燈觸發(fā)電路EUCCDJGR3R2R1圖314 單結晶體管馳張振蕩器fig 314 relaxation oscillator of the doublebase diode可控硅導通后,控制極的觸發(fā)電壓已不起作用,所以實際應用時,。為此，可以采用預燃工作方式。根據(jù)觸發(fā)高壓加在燈上的方式不同，可分為內(nèi)觸發(fā)（串聯(lián)觸發(fā)）和外觸發(fā)（并聯(lián)觸發(fā)）兩種。原邊輸入功率和電流設電路效率80%，則輸入功率Pin=。適當設計儲能電路及放電電路的形式，使放電脈沖具有所希望的波形。重復頻率泵清脈沖的作用使溫升不斷積累，當泵浦脈沖數(shù)足夠大時，接近穩(wěn)態(tài)溫度分布，即連續(xù)泵浦。在激光躍遷內(nèi)的熒光過程的量子效率小于1,因淬滅機制產(chǎn)生熱。這意味著橢圓反射器靠近燈的那部分在激光棒上形成一個放大的燈像，而在靠近晶體棒那部分在激光棒上形成一個縮小了燈像。該參數(shù)表示由于在聚光腔上開孔所引起的損耗。脈沖輸出能量( mJ)透射率 %圖33 輸出鏡透射率與輸出能量的關系fig 33elation between transmissivity of output mirror and output enery從泵浦光源發(fā)出的輻射能傳輸?shù)郊す夤ぷ魑镔|(zhì)上的效率,在很大程度上決定了激光系統(tǒng)的總效率,聚光腔除了給泵浦光源和工作物質(zhì)之間提供良好耦合之外,還決定激光物質(zhì)上泵浦光密度的分布,從而影響到輸出光束的均勻性、發(fā)散度和光學畸變。dhrodM2rodAOM1M2M1圖32 等效厚透鏡諧振腔示意圖 sketch of equivalent thick lens ‘ resonant cavity圖31 諧振腔示意圖 sketch of resonant cavity圖32中，以M1為參考面，其光線單程傳輸矩陣的積為 (31) (32)由于對稱腔有：d=d1=d2 (33)諧振腔的g參數(shù)為 (34)由得到有效穩(wěn)定區(qū)范圍 (35)若聲光器件晶體的長度為lAO ，折射率為nAO ,則M1至棒主面的幾何長度則穩(wěn)定區(qū) 依據(jù)熱透鏡效應,實際棒的屈光度與泵浦功率、水冷卻、棒的材料參數(shù)等因素有關，用經(jīng)擴束的HeNe激光測量了在不同泵浦功率下棒的熱焦距參數(shù)，不同的泵浦功率有不同的熱透鏡焦距，但是穩(wěn)定區(qū)的選擇只能針對某一熱焦距f值而定，而諧振腔的參數(shù)計算規(guī)律，對于任一f值是一樣的，取f=200mm作為參考值，lAO=50mm，nAO=,所以有效穩(wěn)定區(qū)范圍mm，而幾何穩(wěn)定區(qū)范圍mm。第3章 脈沖激光聲光調(diào)Q系統(tǒng) 激光器的結構 諧振腔的設計諧振腔是激光器的一個重要組成部分。0，I162。0I0(a)(b)與聲場垂直和平行的0級光強分別為：， (219)0級光強為： (220)當光強為的光經(jīng)第二個聲光器件調(diào)制后，如圖21.(b)，與聲場垂直和平行的0級光強分別為：， (221)經(jīng)兩聲光器件調(diào)制后， 0級光強為： (222)衍射效率為： (223)(2)光通過兩聲場互相平行的器件當光強為I0的非偏振光經(jīng)兩聲場互相平行的器件調(diào)制，如圖(2)，I162。0。已有采用雙聲光Q開關的報道[4，5]，激光器腔內(nèi)的關斷損耗得到提高，但沒有考慮聲光優(yōu)質(zhì)與光偏振態(tài)的關系，聲光Q開關的關斷損耗能力沒有充分利用。對駐波而言，可以認為它形成的聲光柵是固定在空間的，其相位變化與時間成正弦關系。第2章 聲光調(diào)Q理論分析超聲波是一種縱向機械應力波（彈性波），在聲光介質(zhì)中傳播時會引起介質(zhì)密度呈疏密交替變化，其折射率也發(fā)生相應地變化，故超聲波作用的這部分介質(zhì)即可視為一等效的“相位光柵”，光柵的條紋間隔等于聲波波長λs。該激光器解決了功率問題，但光束質(zhì)量較差，對較厚板仍不能有效打穿。在連續(xù)泵浦上進行聲光調(diào)制，重復頻率為1025kHz,可獲得脈寬為300900納秒，單脈沖能量為1030毫焦耳，峰值功率在30100kw的激光輸出。但考慮到這種激光器光學結構復雜，在實際中，應用并不廣泛。由于全反鏡繞垂直于諧振腔的軸線作周期性的旋轉(zhuǎn)，所以就構成了一個Q值做周期性變化的諧振腔。打孔是激光在工業(yè)中最早的應用，80年代起，人們開始研究在航空工業(yè)及發(fā)動機中采用激光打孔技術[14,35]，象德國的空中客車（AIRBUS INDUSTRIES）、MIU（MOTOR AND TURBIN UNION）以及MERCEDES BENZ，都在各自的企業(yè)中采用了相應的激光打孔技術。激光工具在全世界激光加工領域已越來越重要。這需要在燃燒室和渦輪葉片上打數(shù)十萬個密集排列的冷卻小孔后。從理論上對聲光器件衍射損耗作了分析與計算,研究了二維雙聲光器件對提高衍射損耗效率的影響,在實驗中采用二維雙聲光組合器件提高聲光器件的對Nd:YAG激光器的關斷能力,較之單聲光的關斷能力提高了一倍左右,而對于平行雙聲光也提高了30%,. 將激光電源觸發(fā)信號分為為兩路,一路用以點燃泵燈,另一路通過DG535延遲發(fā)生器延遲后,觸發(fā)波形發(fā)生器調(diào)制聲光驅(qū)動電源的高頻信號,驅(qū)動聲光器件,以達到與自由運轉(zhuǎn)激光脈沖達到同步,在延遲時間達150微秒時,、高峰值功率、窄脈寬的聲光調(diào)Q YAG激光脈沖列輸出，..利用所研制的Nd:YAG聲光調(diào)Q激光器輸出的高峰值脈沖列,. 關鍵詞：Nd::YAG脈沖激光器, 聲光調(diào)制, 激光打孔ABSTRACTThis paper reports on the characterization and analysis of drilling with a novel high power acoustooptical Qswitch pulse laser. The laser is a flashlamp pumped pulse Nd:YAG laser which can be used in the free running mode, additionally we make a primary drilling experiment on the nickelbased heat resisting alloy.The relationship about one Qswitch, two Qswitches in acoustofield perpendicular or parallel is analyzed. According to the theory of acoustooptic(AO) interaction, the formulas of diffraction loss of two AO Qswitches, which acoustofield are perpendicular or parallel one another, The power divider for ensuring two AO Qswitch synchronization and effective power driving is designed. The calculation results are satisfied with Nd:YAG laser experimental results. It is show that two AO Qswitches, which acoustofield are perpendicular each other, switchloss is nearly one times larger than one AO Qswitch, one of third larger than the two AO Qswitches which acoustofield are parallel. We divided the trigger signal to the two branch ,one was u