【正文】 illing 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 used to ignite the lamp pump, and the other through the DG535 delay generator and DS345 waveform generator to modulate the high frequency signal and to drive the acoustooptic device We delay the signal about the 150 μs to synchronize the free running laser pulse,and acquired the high quality high summit power and narrow pulse width pulse sequence, which pulse width is 200ns，and the summit power is about 300 KW With the laser, drill a thick nickel based heat resisting alloy. When used the free running pulse laser , the recast’ thick on the hole’s wall is 10μs, when used the free running laser the thick is 35μm. It is effective to relieve the micro crack in the process of laser drillingkey words: Nd:YAG pulse laser, acoustooptic modulation ,laser drilling第1章 緒論本課題來源于與JS50高能束流加工技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作項(xiàng)目“高峰值功率聲光調(diào)Q脈沖YAG激光打孔機(jī)理研究”。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，需要增加燃燒室的溫度，典型的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的溫度可達(dá)18502000攝氏度。目前國外，渦輪葉片及燃燒室采用了小孔氣膜冷卻結(jié)構(gòu)和復(fù)合層板結(jié)構(gòu)，降溫水平可達(dá)300500攝氏度，可使渦輪前溫度提高到18001900攝氏度[6]。從發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低的部位引入冷空氣。燃燒室和渦輪葉片的材料是硬質(zhì)合金材料，且孔徑的方向與表面所成角度在17度90度之間，深寬比高，采用傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)孔幾乎無法實(shí)現(xiàn)。激光打孔由于對工具無磨損，因有光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整，打孔位置準(zhǔn)確；無切削力，因此無轉(zhuǎn)模裝夾問題易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可連續(xù)打孔，操作打孔省時(shí)；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。無需特殊吸收涂層，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使用更多的新型材料是傳統(tǒng)的工具和加工方法無法完成的，激光幾乎是唯一的加工途徑。但由于存在著加工出的孔形質(zhì)量差，重復(fù)性低，孔的錐度大，同時(shí),激光打孔過程是一個(gè)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(diǎn)周圍熱應(yīng)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(diǎn)為中心的急劇徑向脹縮也會(huì)導(dǎo)致沿徑向分布的殘余應(yīng)而導(dǎo)致在孔壁上存在再鑄層和裂紋等問題，這對于象飛機(jī)燃燒室及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是極為不利的，應(yīng)當(dāng)盡量避免，否則會(huì)在很大程度上影響工件的使用壽命。 大量的研究表明激光打孔的條件與脈沖能量、脈沖寬度、脈沖數(shù)、聚焦參數(shù)和輸出光束質(zhì)量有關(guān)[5,31,32,33]。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(dá)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。本項(xiàng)目通過對聲光調(diào)Q階躍YAG脈沖激光產(chǎn)生的研究，以期提高我國軍用航空用高溫合金材料激光打孔質(zhì)量，解決目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和燃燒室打孔在質(zhì)量上存在的問題，打破西方國家在高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)上對我國的技術(shù)封鎖。最常用的方法是采用自由運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖YAG激光[15,26]，其平均功率為350500W，重復(fù)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(gè)孔的平均時(shí)間為410秒，單孔消耗能量為12001600焦耳，再鑄層厚度為100微米。電光調(diào)Q：在氙燈泵浦基礎(chǔ)上，對YAG激光器采用電光調(diào)制的可獲得單脈沖高峰值功率激光輸出，其峰值功率達(dá)到了107W，脈沖寬度僅為15ns，但電光調(diào)Q的脈沖重復(fù)頻率低（百赫茲左右），且會(huì)在打孔過程中產(chǎn)生大量等離子體，影響到材料對激光的能量的吸收。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q：在一個(gè)脈沖激光器的基礎(chǔ)上用一個(gè)被高速馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的全反鏡代替原來固定的全反鏡而構(gòu)成。該棱鏡安裝在馬達(dá)的轉(zhuǎn)子上。脈沖寬度為幾十納秒，峰值功率可達(dá)幾十兆瓦。采用二次加速腔和四次加速腔，可以實(shí)現(xiàn)單脈沖輸出，但這種方式的閾值較高，效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難。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。當(dāng)全反鏡面作超聲振動(dòng)時(shí)，由于諧振腔長度的變化和多卜勒效應(yīng)，可使輸出的激光脈沖尖峰波形由原來不規(guī)則、較平坦的排列，調(diào)制細(xì)化成多個(gè)尖峰激光脈沖。[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(dāng)位置，安裝一個(gè)缺口轉(zhuǎn)盤，高速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)激光輸出時(shí)，它將原來一個(gè)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(gè)獨(dú)立的短脈寬尖峰狀的小脈沖輸出。此時(shí)激光介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度急劇增大；當(dāng)光路再度打開時(shí)，激光輸出脈沖的峰值功率就會(huì)增高。但這種激光器的脈寬仍較大，單脈沖能量也較大。該種方法打孔效率低，且孔的錐度大，對于打高質(zhì)量的微孔仍有一定的缺陷，不能滿足實(shí)際的需要。由于其具有高的峰值功率和重復(fù)頻率，大大提高了打孔的質(zhì)量和效率。97年報(bào)道了用于激光打孔的基于350瓦連續(xù)泵浦激光器上的聲光調(diào)制激光器，其光束質(zhì)量為10mm mrad.,打孔速度是自由運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖激光器的410倍。1998年，柏林工業(yè)大學(xué)研制出實(shí)驗(yàn)室型90W高光束質(zhì)量的聲光調(diào)Q激光器，實(shí)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(dá)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）。1999年2月，德國HASS公司研制出面向工業(yè)的500W聲光調(diào)Q連續(xù)Nd：YAG激光打孔樣機(jī)。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(bào)道。而在脈沖激光器基礎(chǔ)上進(jìn)行聲光調(diào)Q以獲得高峰值功率和高重復(fù)頻率脈沖序列輸出的激光器鮮有報(bào)道。與此同時(shí)，研究泵浦脈沖觸發(fā)信號(hào)與聲光調(diào)制器觸發(fā)信號(hào)的最佳匹配。提高激光打孔的質(zhì)量。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)被介質(zhì)中的彈性波所衍射，這稱為彈光效應(yīng)。聲光調(diào)制器就是利用衍射光的這些性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)光束調(diào)制或偏轉(zhuǎn)的。行波所形成的聲光柵的柵面是在空間移動(dòng)的。折射率的瞬時(shí)空間變化可用下式表示 （21）式中ωs為聲波角頻率，ks=2π/λs為聲波的波數(shù)。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(yīng)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(huì)產(chǎn)生一種新波，其振幅為，在z軸上各點(diǎn)不同，但是振蕩相位在z 軸上各點(diǎn)均相同，即不隨空間位置變化，所以這種波稱為聲駐波。波腹間的距離為λs/=(2n+1) λs/4的各點(diǎn)上振幅為0,稱之為波節(jié),波腹波節(jié)在介質(zhì)中的位置是固定的,不隨時(shí)間變化,聲駐波折射率的孌化可用下式表式 (24)聲波在一個(gè)周期T內(nèi),介質(zhì)兩次出現(xiàn)疏密層,且在波節(jié)處密度保持不變,因而折射率每隔半個(gè)周期(T/2)在波腹處變化一次,假若超聲頻率為fx,那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2fs,因而當(dāng)光波通過該介質(zhì)所得到的調(diào)制光,其頻率為聲頻率的二倍. 按照超聲波頻率的高低和聲光作用的超聲場長度的不同,聲光作用可以分為為兩種類型,即喇曼奈斯衍射和布喇格衍射. ,光線平行于聲光波面入射時(shí),產(chǎn)生喇曼奈斯衍射,由于在這種情況下,超聲光柵與普通的光學(xué)條紋光柵類似,因此,平行光通過超聲光柵時(shí),將產(chǎn)生多級衍射光,而且各級衍射極值對稱地分布在零級值兩側(cè),: 設(shè)聲光介質(zhì)中的聲波是一個(gè)寬度為L的平面縱波,波長為λs,波矢量ks指向x軸正向,入射光波矢量ki指向y軸正向,兩者呈正交,這個(gè)彈性波引起的應(yīng)變可表示為: (25)式中,P為彈光系數(shù),并暫時(shí)略去對時(shí)間t的依賴關(guān)系,則可寫為 (26)由于介質(zhì)的折射率發(fā)生了這樣周期性的變化,=L/2面入射的光波是Aexp(iωct).超聲波為縱波時(shí)，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(shí)，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]。采用二維聲光Q開關(guān)[2，3]，在兩互相垂直的面上制作換能器，減小光偏振態(tài)對衍射損耗受的影響，可提高衍射效率，但器件在兩個(gè)面上制作換能器，制作工藝復(fù)雜，成品率低，成本高，且使用時(shí)需同時(shí)對準(zhǔn)兩個(gè)方向的布喇格角，使用不方便。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。Ps是聲功率，H、L分別是聲光器件換能器的寬度和長度，l是被調(diào)制激光波長。光強(qiáng)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(qiáng)分別為：， (216)則經(jīng)過一聲光器件調(diào)制后， 0級光強(qiáng)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(dāng)光強(qiáng)為I0的非偏振光經(jīng)第一個(gè)聲光器件調(diào)制后，如圖21.(a)，圖21 光強(qiáng)為I0的非偏振光經(jīng)兩聲場互相垂直的器件，0級光強(qiáng)分別為I162。162。Fig 21 the unpolarized light through the two vertical sound field whose light intensity is I0,the light intensity of 0 level is I162。162。E1//I162。162。0I162。0nsnsE1//E1^E2//E2^(a)(b)I0圖22 光強(qiáng)為I0的非偏振光經(jīng)兩聲場互相垂直的器件，0級光強(qiáng)分別為I162。162。Fig22 a unpolarized light through the two paralleled sound field whose light intensity is I0,the light intensity of 0 level is I162。162。同理可推得，經(jīng)第一個(gè)聲光器件調(diào)制后，0級光強(qiáng)為： (224)經(jīng)兩聲光器件調(diào)制后， 0級光強(qiáng)為： (225)衍射效率為： (226)(3)計(jì)算若兩器件的特性和驅(qū)動(dòng)功率一致，有 。代入(215)式，計(jì)算得：。顯然，對非偏振的Nd:YAG激光，采用特性一致聲光Q開關(guān)，在驅(qū)動(dòng)功率相同時(shí)，雙聲光Q開關(guān)的衍射損耗明顯大于單聲光的衍射損耗；聲場互相垂直的雙聲光Q開關(guān)的衍射損耗明顯大于聲場互相平行的雙聲光Q開關(guān)的衍射損耗。對