高功率大能量納秒激光器的典型應用

高功率大能量納秒激光器的典型應用

• 鈦寶石激光器泵浦

啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification, CPA）技術是產生超短脈沖、超高峰值功率激光的一種技術。作為商品化TW - PW 飛秒激光器制造商，Amplitude在鈦寶石泵浦領域具備多年的經驗和技術。

Amplitude提供從10焦耳級到200焦耳級納秒綠光激光器，滿足您百太瓦直至10拍瓦量級高功率鈦寶石激光器的泵浦光需求；專為泵浦優化的均勻光斑，使得鈦寶石可輸出質量的激光。Amplitude可供鈦寶石住放大級選用的泵浦源系列：

• OPCPA泵浦

與鈦寶石CPA系統不同，OPCPA采用光學參量放大（Optical Parametric Amplification）過程來放大啁啾脈沖。在OPCPA系統中，為保證對各頻譜分量的同等增益，要求脈沖的時間波形為平頂；Amplitude Agilite 及Intrepid系列提供百皮秒 - 微秒脈寬、脈沖波形可編程的輸出，非常適合OPCPA泵浦。Agilite及Intrepid可單獨使用，提供焦耳級綠光輸出；同時可作為Premiumlite的前端，輸出數十焦的綠光。

Eli - ALPS 2PW/10Hz系統

• 激光沖擊強化

經過數十年的發展，激光沖擊強化（Laser Shock Peening）已從實驗室走向市場，逐漸成為制造業金屬材料部件強化的關鍵技術甚至標準技術。

激光沖擊強化示意圖

激光沖擊強化通常采用納秒尺度的大能量激光。待處理工件表面覆以不透明吸收層以及約束層，激光被吸收層吸收之后產生等離子體；在約束層的限制下，等離子體的爆炸在材料表面產生強烈的沖擊波并向材料內部內傳播。經過處理的材料產生相變和應力，可以非常顯著的提升材料的強度、耐磨性、抗疲勞特性；沖擊強化還可用于金屬疲勞恢復。

激光沖擊強化已被波音等高技術公司實際運用，適用于：

l 航空發動機葉片

l 飛機蒙皮、鉚釘等部件

l 汽車發動機活塞、氣缸等部件

l 特種管道的焊縫

激光沖擊強化通常需要4～10GW/cm²的峰值功率密度，也就意味著處理1cm²面積需要10J能量。傳統激光器能量和重頻的矛盾，限制了激光沖擊強化工藝的速度和產率。

Amplitude 提供系列激光器，可用于實驗室研究及工業應用。尤其是Premiumlite-YAG激光器，其重復頻率比現有同等能量激光器高10倍，特別適合高產率沖擊強化工業應用。

可用于沖擊強化的激光器：

• 復合材料粘接檢測

復合材料以其強度高、比重輕、成本優的優勢正越來越多的使用于飛機、航天器、列車、汽車、風力發電機等關鍵部件上。在使用時，通常將復合材料粘接、或將復合材料與其他材料粘接起來使用。其粘接的質量無疑對終應用中的強度、壽命、可靠性有決定性影響。對復合材料粘接效果的檢測直接關系到生產與運輸的安全。

復合材料的粘接缺陷

復合材料的粘接缺陷包括空泡 （voids），雜質 （inclusion），以及吻接（kissing bond）等，會嚴重影響材料的強度和可靠性。這些缺陷從外觀*無法檢出，常規的非破壞性檢測（如X射線、超聲波等）因為襯度過低，無法有效檢測這些缺陷。

激光粘接檢（Laser Bonding Inspection, LBI）測是一種有效、便捷、無損的復合材料粘接檢測技術。脈沖激光在復合材料表面產生壓剪應力波（與激光沖擊強化類似但所使用的激光強度較弱）。壓力波在后一個表面以張力波的形式反射，并對檢測區形成“拉扯”作用，從而將較弱的粘接拉開。

通過選擇合理的激光能量、脈沖寬度、脈沖波形，可以使得正常粘接在多次激光作用后*無損，而對弱粘接產生破壞。同時可以通過對壓力、張力波的實時檢測來反饋粘接區的結構。

LBI檢測飛機構件

波音公司宣稱，LBI是“檢測復合材料的有效方法”。LBI可用于復合材料-復合材料粘接，復合材料-金屬粘接，金屬-金屬粘接的強度檢測，并具備修復粘接結構的潛力。在航空航天、機動車與列車、風力葉輪等構件的制造領域有廣泛的應用。

LBI需求的峰值功率密度一般小于4GW/cm²，同時需要對激光脈沖的寬度和波形進行的控制，以使產生的應力波能準確的檢測弱粘接，同時不對正常粘接產生影響。Amplitude提供300ps - 微秒寬度、波形可任意編程的MOPA激光器Intrepid以及Agilite系列，能量覆蓋數百毫焦 - 焦耳量級，非常適合LBI研究和LBI設備制造；同時，配合Premiumlite 放大系統，可獲得更高能量，實現大面積、高產率的激光粘接檢測。

• 動態壓縮

X射線衍射是研究材料結構的重要方法。在X射線衍射測試中，對材料施加外加的高壓，造成材料應力、晶格參數乃至物相的變化，對研究材料的在壓縮過程中的應力應變狀態方程、熔化、相變、聲速、晶體結構、溫度變化以及非平衡動力學等等過程有重要意義。

采用激光產生沖擊波，在端的時間內壓縮材料，具備系列的優勢：

• 超快速壓縮，體現與靜態壓縮不同的特性，尤其是非平衡動態過程；
• 模擬地表無法實現的端高溫和高壓條件；
• 實現只有在星體核心才會出現的奇異晶態。

動態壓縮X射線衍射示意

大能量、高功率的脈沖激光系統已經越來越多的裝配于各地的同步輻射線站，用于動態壓縮研究。Amplitede提供 Intrepid (HE) 以及 Atilite (HE)系列，分別適用于短脈沖和長脈沖需求：

• 可編程的脈沖形狀，模擬各種物理過程；
• 高達數十焦耳的單脈沖能量，亞納秒 - 微秒解決方案；
• 可實現與脈沖光源同步，進行時間分辨研究；
• Nd:Glass 系統提供直達千焦的潛力。