[发明专利]用于产生高峰值功率激光脉冲的方法和系统

说明书

根据一个方面，本说明书涉及一种用于产生高峰值功率激光脉冲的系统(10)，其包括：至少一个第一光源(101)，其用于发射第一纳秒激光脉冲(I_L)；光纤装置(110)，其用于传输所述第一激光脉冲，该光纤装置(110)包括至少一个具有被设计为接收所述第一激光脉冲的单芯的第一多模光纤；以及至少一个第一光放大器(120)，其被布置在所述光纤装置的输出端处，用于光学放大所述第一激光脉冲以形成所述高峰值功率激光脉冲。

技术领域

本说明书涉及出于激光冲击目的用于产生高峰值功率激光脉冲的方法和系统。本说明书尤其适用于激光冲击强化、激光冲击光谱技术、基于激光的超声产生或部件的激光清洗。

背景技术

基于激光冲击的表面处理应用(即涉及等离子体的形成)要求具有非常高的峰值功率(通常约为10兆瓦(MW)或更高)的脉冲，也就是说，通常要求脉冲的持续时间为约几十纳秒或更短并且其能量大于约一百毫焦耳。这些脉冲通常集中在几平方毫米的区域上，从而有可能实现每平方厘米几十焦耳的能量密度，用于形成激光冲击。这些应用包括例如激光冲击光谱技术、激光清洗、基于激光的超声产生(例如为了分析材料的晶体结构)以及为了提高部件的使用寿命和机械抵抗力的激光冲击强化。

例如在专利US6002102和EP1528645中描述了激光冲击强化。第一吸收性薄层沉积在待处理部件上。在操作过程中，高峰值功率激光脉冲会使吸收层汽化，从而产生热等离子体。等离子体的膨胀会引起强烈的压缩波，从而可以在待处理部件的材料深处产生预应力。称为约束层的第二层(其对辐射透明，例如水或对入射辐射的波长透明的材料，例如石英)有助于冲击波向待处理表面的内部松弛。这种称为“激光冲击强化”的方法可以增强部件对周期性疲劳的机械抵抗力。通常通过在自由空间中传输光束至待处理区域来执行该方法。

然而，在自由空间中传输大功率激光束会带来安全问题，并使其很难进入受限制或有阻碍的地方(例如，水下环境)。

例如在专利US4937421或US6818854中所描述的，为了进入位于受限制或有阻碍的环境中的表面，光纤似乎是非常合适的工具。然而，上述一些方法(例如激光冲击强化或激光表面清洗)通常在多尘的工业环境中进行，从而显著降低了光纤的输入表面和输出表面的损伤阈值。此外，除了清洗方面之外，对于脉冲持续时间小于1μs的脉冲激光，能够注入到光纤中的峰值功率水平受到形成光纤纤芯的材料的介电损伤阈值的限制。因此，对于1064nm处的10ns脉冲，空气/二氧化硅界面的损伤阈值约为1GW/cm²。

为了限制在注入和松弛时受损伤的风险，优选使用具有宽芯径的波导。但是，大的纤芯(通常大于1mm)不是很柔韧，过度的弯曲通过渐逝波产生损耗，这可能会损坏光纤。例如专利US6818854中所描述的，可以使用一组(或“束”)光纤。然而，为了限制在这类部件中的注入和传播损失，优选将光能分别注入每根光纤中，这使得注入变得复杂且昂贵。此外，有必要在部件的输出端处设置一种具有大孔径的光学聚焦系统，这使得光学系统变得复杂、昂贵且笨重。

尤其由于这些原因，在实践中，光纤在传输脉冲方面的用途仅限于传输峰值功率相对较低(小于10MW)的脉冲以及处理易于进入的区域(非弯曲路径)。

因此，需要通过具有光纤装置的系统来产生高峰值功率脉冲，这使得可以增加光纤的损伤阈值并改善光纤装置的柔韧性，从而避免其由于机械应力而导致光学性能下降。

本说明书的一个主题是一种高峰值功率(通常约为10MW或更高)脉冲的产生方法和系统，其允许安全的注入到光纤装置并确保安全的长距离传播，同时又维持了极大的柔韧性。

发明内容

根据第一方面，本说明书涉及一种高峰值功率激光脉冲产生系统，其包括：

-至少一个第一光源，其用于发射第一纳秒激光脉冲；

-光纤装置，其用于传输所述第一激光脉冲，所述光纤装置包括至少一个具有被设计为接收所述第一激光脉冲的单芯的第一多模光纤；