高功率大能量纳秒激光器的典型应用

高功率大能量纳秒激光器的典型应用

• 钛宝石激光器泵浦

啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification, CPA）技术是产生超短脉冲、超高峰值功率激光的一种技术。作为商品化TW - PW 飞秒激光器制造商，Amplitude在钛宝石泵浦领域具备多年的经验和技术。

Amplitude提供从10焦耳级到200焦耳级纳秒绿光激光器，满足您百太瓦直至10拍瓦量级高功率钛宝石激光器的泵浦光需求；专为泵浦优化的均匀光斑，使得钛宝石可输出质量的激光。Amplitude可供钛宝石住放大级选用的泵浦源系列：

• OPCPA泵浦

与钛宝石CPA系统不同，OPCPA采用光学参量放大（Optical Parametric Amplification）过程来放大啁啾脉冲。在OPCPA系统中，为保证对各频谱分量的同等增益，要求脉冲的时间波形为平顶；Amplitude Agilite 及Intrepid系列提供百皮秒 - 微秒脉宽、脉冲波形可编程的输出，非常适合OPCPA泵浦。Agilite及Intrepid可单独使用，提供焦耳级绿光输出；同时可作为Premiumlite的前端，输出数十焦的绿光。

Eli - ALPS 2PW/10Hz系统

• 激光冲击强化

经过数十年的发展，激光冲击强化（Laser Shock Peening）已从实验室走向市场，逐渐成为制造业金属材料部件强化的关键技术甚至标准技术。

激光冲击强化示意图

激光冲击强化通常采用纳秒尺度的大能量激光。待处理工件表面覆以不透明吸收层以及约束层，激光被吸收层吸收之后产生等离子体；在约束层的限制下，等离子体的爆炸在材料表面产生强烈的冲击波并向材料内部内传播。经过处理的材料产生相变和应力，可以非常显著的提升材料的强度、耐磨性、抗疲劳特性；冲击强化还可用于金属疲劳恢复。

激光冲击强化已被波音等高技术公司实际运用，适用于：

l 航空发动机叶片

l 飞机蒙皮、铆钉等部件

l 汽车发动机活塞、气缸等部件

l 特种管道的焊缝

激光冲击强化通常需要4～10GW/cm²的峰值功率密度，也就意味着处理1cm²面积需要10J能量。传统激光器能量和重频的矛盾，限制了激光冲击强化工艺的速度和产率。

Amplitude 提供系列激光器，可用于实验室研究及工业应用。尤其是Premiumlite-YAG激光器，其重复频率比现有同等能量激光器高10倍，特别适合高产率冲击强化工业应用。

可用于冲击强化的激光器：

• 复合材料粘接检测

复合材料以其强度高、比重轻、成本优的优势正越来越多的使用于飞机、航天器、列车、汽车、风力发电机等关键部件上。在使用时，通常将复合材料粘接、或将复合材料与其他材料粘接起来使用。其粘接的质量无疑对终应用中的强度、寿命、可靠性有决定性影响。对复合材料粘接效果的检测直接关系到生产与运输的安全。

复合材料的粘接缺陷

复合材料的粘接缺陷包括空泡 （voids），杂质 （inclusion），以及吻接（kissing bond）等，会严重影响材料的强度和可靠性。这些缺陷从外观*无法检出，常规的非破坏性检测（如X射线、超声波等）因为衬度过低，无法有效检测这些缺陷。

激光粘接检（Laser Bonding Inspection, LBI）测是一种有效、便捷、无损的复合材料粘接检测技术。脉冲激光在复合材料表面产生压剪应力波（与激光冲击强化类似但所使用的激光强度较弱）。压力波在后一个表面以张力波的形式反射，并对检测区形成“拉扯”作用，从而将较弱的粘接拉开。

通过选择合理的激光能量、脉冲宽度、脉冲波形，可以使得正常粘接在多次激光作用后*无损，而对弱粘接产生破坏。同时可以通过对压力、张力波的实时检测来反馈粘接区的结构。

LBI检测飞机构件

波音公司宣称，LBI是“检测复合材料的有效方法”。LBI可用于复合材料-复合材料粘接，复合材料-金属粘接，金属-金属粘接的强度检测，并具备修复粘接结构的潜力。在航空航天、机动车与列车、风力叶轮等构件的制造领域有广泛的应用。

LBI需求的峰值功率密度一般小于4GW/cm²，同时需要对激光脉冲的宽度和波形进行的控制，以使产生的应力波能准确的检测弱粘接，同时不对正常粘接产生影响。Amplitude提供300ps - 微秒宽度、波形可任意编程的MOPA激光器Intrepid以及Agilite系列，能量覆盖数百毫焦 - 焦耳量级，非常适合LBI研究和LBI设备制造；同时，配合Premiumlite 放大系统，可获得更高能量，实现大面积、高产率的激光粘接检测。

• 动态压缩

X射线衍射是研究材料结构的重要方法。在X射线衍射测试中，对材料施加外加的高压，造成材料应力、晶格参数乃至物相的变化，对研究材料的在压缩过程中的应力应变状态方程、熔化、相变、声速、晶体结构、温度变化以及非平衡动力学等等过程有重要意义。

采用激光产生冲击波，在端的时间内压缩材料，具备系列的优势：

• 超快速压缩，体现与静态压缩不同的特性，尤其是非平衡动态过程；
• 模拟地表无法实现的端高温和高压条件；
• 实现只有在星体核心才会出现的奇异晶态。

动态压缩X射线衍射示意

大能量、高功率的脉冲激光系统已经越来越多的装配于各地的同步辐射线站，用于动态压缩研究。Amplitede提供 Intrepid (HE) 以及 Atilite (HE)系列，分别适用于短脉冲和长脉冲需求：

• 可编程的脉冲形状，模拟各种物理过程；
• 高达数十焦耳的单脉冲能量，亚纳秒 - 微秒解决方案；
• 可实现与脉冲光源同步，进行时间分辨研究；
• Nd:Glass 系统提供直达千焦的潜力。