激光的光学器件的选择和实验

1、激光的光学器件的选择和实验圏2为激壯啸九遇化的原理图，債屈试样表面涂有不透明的吸牧层和透叩的约束层.通常使用铝箔.黑滦或黑胶带作为吸收层，流水或有机玻璃作为釣束层*尚能短脉冲激光束经过聚焦透镜聚到试样表面的吸收层.吸收层吸收激光能毘后变为高能等离f体,粽离子体迅速膨勲在的束从的制约卜爆炸形戚岛能冲击彼*沖舟波沿金诚内部便播。当激比诱导产生冲甫波的压力大丁材料的动态屈眼强度时”该反域的材料仝在极短时间内以超岛強变率（高达OhQ7S咸级）发t塑竹:形变.产生我余压应力，改善了材料的WT梦机械性能.如农面硬度、抗腐迪件、耐龊件和疲劳强度等|2R|,29LFikii%p*IpiiiKclacrriii

2、ppciplhii口Fikii%p*IpiiiKclacrriiippciplhii口T(aiiihuemlOvtriki).AbsktrhcnfC>uiingMeijJTsirgrtIS2J激疋噹丸的席理期FigJIEbeprincipleoftaserpeening1呵为了达和激光喷丸强化所需輕的超启I应变率*盂餐强化农g的激克功率帶度达到GW/cm2,因此对招应的光学器件有特蛛的卷求.2.2激光的光源和耦合激光的光源激光冲击强化技术需要激光器的脉冲短、功率密度高，因此用于激光冲击强化领域的激光器必须定短脉冲岛功率激光装賈，如红宝石激光器、CO2激光器、N止Glass激光器激光器、N

3、d:YAG激光器和金绿宝石激光器等。但是，常用于金属材料改性的有红宝石激光器、Nd:Glass激光器及Nd:YAG激光器卩2.本节首先分别介绍对比了这三种激光器，并最终根据激光冲击强化的要求选择了合适的激光器。红宝石激光器的工作物质足红宝石棒。在激光器的设想捉出不久，红宝石就被肯先用*制成了世界上第一台激光器。因为红宝石激光器属于三能级系统，所以具有阈值较高、功率较低、不易操作等缺点。此外，温度对其输出特性的勒响较大.红宝石激光器工作过程中.由于各种原因会造成工作物质温度升高，红宝石晶体的荧光凰子效率(彷会随温度的升商而降低.低温时，协接近1,红宝石品体室温时久=0.7,般为0.5：在300&

4、quot;C时下降到0.1。久减小，激光増益减少，阈值升高，效率会降低。另外晶体温度的变化会引起激光波长的变化，造成谱线加宽，导致激光工作的不稔定】。妆玻璃作为激光工作物质具有易加工、尺寸大、价格低和均匀性好等特点，由于它属于四能级系统.具有较阳的输出效率。但是放玻璃激光器输出激光的单色性很差，同时铉玻璃的导热率低、震荡阈值又高，这使得妆玻璃激光器不宜用于连续和海重賛频率运转。N止YAG,全称为NeodymiumdopedYttriumAluminiumGarnet(Nd：YjAlsOn)属于四能级系统，具有fit子效率较高、受激辐射截面大的的优点，其阈值比红宝石和饮玻璃激光器小得多，而且铠铝

5、石榴石晶体还具有较岛的导热率，易于散热，因此Nd:YAG激光器不仅可以单次脉冲运转，还可用于高重复频率或连续运转，是目前研究使用的比较广泛的激光材料卩叽因此.最终确定使用髙功率Nd:YAG激光器作为光纤传输激光喷丸强化的光222激光与光歼的合透fit由于Nd:YAG激光器具有较好的单色性.因此在设计光纤耦合系统时可以不考虎色差对耦合效率的形响目前的光纤耦合系统大多采用透镜将激光宜接精合入光纤，常用的耦合透镜组有两种】，如图2.2所示.虽然赵兴海等人尝试在光纤入光端加入导光锥以提高激光的耦合效率120】，降低激光和光纤的耦合损耗，但砒时反而在导光锥和光纤入光端加入新的耦合摄耗，增加了加工的难度，

6、降低了实际可行性.故不采纳.(a)传纯三透傥式插合系统(b)合系纯(a)Tt&ditionaJcouplingsystem(b)Simplecouplingsystem图2.2两ft*見的光歼駅合系。习由图2.2(a)所示，这是一种由六个折射面构成的复杂光学系统，光束质量更好，耦合效果更佳，但是在实际工作中，高能激光会在各个光学界面之何反射,激光的能在传播中被透镜自身吸收，使透镜的温度上升，形响光学系统的光学性能，甚至可能会损伤光学系统本身，另一种是由单透镜构成的简单光学系统，该系统具有结构简单、性能稳定、易于加工等特点，満足本光纤传输激光喷丸强化系统的要求。因此.采用单透憶作为4纤传

7、输激光畋丸强化的耦合系统。图2.3就垮实际来用的光坏報合集统Fi&23Thefibercouplingsystemeventuallyusedinpractice根据实验室的具体情况.这里选择焦距为100mm.由BK7玻璃构成的平凸透镜作为耦合透镜，透镜表面镀有MgF2增透膜，如图2.3所示。2.23波长的选择-般Nd:YAG激光器的工作的波长有三种，即1064nm,532nm和355nm。由于激光在采用波长为1064nm时可以输出较高的功率密度.因此大多数激光喷丸強化实验中采用的波长为1064nm,但是因为激光波长的选择对激光喷丸强化效果的影响较小，可以根抑实际条件选择激光器的工作波

8、长。对于一个有效光束直径d,其嚴后的光斑尺寸W和波长入成正比，与数值孔径NA成反比，即兀NA（2.1）由公式（2.1）可以看出，在激光器出光有效光束宜径一定的条件下（本激光器为9mm）,波长越短，经过耦合透镜得到的光斑越小，激光进入光纤的耦合率越高1。此外，实验中需要激光脉冲的能St从小到大逐渐増大而本激光器在波长为1064nm时的最小能量为80mJ,不利于光纤端面阈值的测试。最终根据实验中的实际条件，选择532nm作为工作波长，在焦点处形成的光斑宜径为0.4mm。实际激光器有两个出光口，如左图2.2所示，左侧为正常1064nm出光口，右侧为532nm出光口，装冇倍频品体，将红外1064nm光

9、转化为绿光532nm耦合透镜对纤芯直径的要求一条激光在经过一个光学系统后，为了满足光纤的耦合条件，需要使激光的束腌半径力与发散角0相匹配，从而使激光可以顺利地耦合入光纤。根据激光束与光纤的耦合条件.耦合系统在光纤耦合端面上呈现的激光光斑半径心，和发散全角九,应同时满足卩叫dg,Vcon（2.2）(23)仏“v2arcsin(必)具体如图2.4所示,Je<eown图2.4澈光与尢幵的扬合条屮刊Fig.2.4Thecouplingconditionoflaserandopticalfibe341一般在描述激光光束性质的好坏时，经常使用一个评价参数一光束参数乘枳<BBP)>BBP的

10、定义如下：(2.4)BBP=4根据赫姆霍兹不变量的定义.在没有光阑和線差的时候，即使光学系统变化.光束参数乘积(BBP)不会变化，即对于任意一束激光而言，光束参数乘积(BBP)是一个固定值从公式(2.2人(23).(2.4)可以推出：时=心arcsin(M)(2.5)公式(2.5)对于光纤耦合而言是一个非常匝要的条件。一般Nd:YAG激光器光束的光束参数乘积(BBP)较大，因此为了保证激光束可以与光纤可以得到更好的耦合率，需要根据公式(2.5)來选择光纤参数.假设光纤为一个圆形孔径.按照公式(2.2)的要求由于光的衍射效应.光束在通过这个孔径时会出现能量的损耗.咸模高斯光束的光强分布为：(2.

11、6)式中.x为到光斑中心的距离.w为光斑的半径I。为光束中心处的光强。丁上=I/(小帀如竹一下一因此.对于个半径为a的圆形孔径，基模高斯光束在通过后可以得到透过率T.即功率Pa与总功率P的比为卩叫(2.7)(2.7)2am,=l-exp(_nj£/(x)2衣如&通过公式(2.7),町以徇出激光与光纤耦合时激光能1ft的相对衍射损耗为(2.8)其中，尸为纤芯半径，w为光纤端血处的光斑半径。2、图2.5牺合时光斑与光坏奸芯的示立图为了更好地将激光耦介入光纤，通常将光纤前端放臂在距离透鏡焦点儿个亳米外的地方。山于激光在束腰处的宜径为0.4mm,而光纤纤芯必须大于光斑直径通过计算可以发现，当w=f尸时，相对衍射损耗在光纤端面处仅仅为w/w=l%。因此，为了得到较岛的光纤耦合效率，需耍使光纤端面处的激光光斑半径小于芯径的2/3,如图2.5所示.的扌.因此，光纤纤芯自径需咚大于0.6mmA能实现较岛的耦合效净*冋时，为了防止热效应影响激光系统的整体稳定性，并便光纤连接器仃更人的容绘，激光聚焦的光斑要尽可能的比纤芯白径小。此外，激光的光束质尿和光纤的数值孔径也対光纤的耦合效率有-定的彩响假设只有比光纤住径80%小的部分会被使用，则光纤的最小育径d可由M?、K、久和