一种激光装置及用于金属表面强化的系统的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种激光装置以及用于金属表面强化的系统。


背景技术：

2.闪光灯泵浦的高能量固体激光器是一种广泛应用在科研以及工业等领域的激光器，该类型的激光器可以输出高能量的纳秒激光脉冲，通常应用于激光冲击强化、激光等离子体研究、激光损伤阈值研究、激光退火等领域。现有的闪光灯泵浦的高能量固体激光器通过聚光腔固定夹持氙灯和激光晶体以实现激光的产生和放大，然后再进行多级放大，从而实现高能量的输出。现有的闪光灯泵浦的高能量固体激光器存在以下弊端：对激光能量放大所需的结构的数量较多并且体积较大，这些结构需要占据激光器较大空间。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种激光装置及用于金属表面强化的系统，以在有效利用激光器内部空间的同时，实现单路高能量激光输出。
4.本发明的目的是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种激光装置，包括沿传播光路设置的激光源、分光器、放大组件以及合束器，其中，所述放大组件包括第一放大组件以及第二放大组件；所述激光源用于出射第一激光束，所述分光器用于将所述第一激光束分束成第一激光分束以及第二激光分束，所述第一放大组件用于使所述第一激光分束获得高激光能量，所述第二放大组件用于使所述第二激光分束获得高激光能量，所述合束器用于将获得高激光能量的所述第一激光分束以及所述第二激光分束合束成第二激光束。
5.在一些实施方式中，所述激光装置还包括削波器，所述削波器用于调整经所述激光源出射的所述第一激光束的脉宽。
6.在一些实施方式中，所述激光装置还包括依次设置的第一隔离器、预放器以及第二隔离器，所述第一隔离器用于将从所述削波器出射的所述第一激光束隔离，所述预放器用于将经所述第一隔离器隔离的所述第一激光束进行预放，所述第二隔离器用于将经所述预放器预放的所述第一激光束进行隔离。
7.在一些实施方式中，所述分光器用于将经由所述第二隔离器隔离的所述第一激光束分束成第一激光分束以及第二激光分束。
8.在一些实施方式中，所述第一放大组件包括沿激光束传播方向依次设置并具有逐级增大的放大级别的多个放大器。
9.在一些实施方式中，所述第一放大组件还包括用于将激光束隔离的多个隔离器。
10.在一些实施方式中，所述激光装置还包括光束整形器，所述光束整形器用于对所述第二激光束进行整形并输出整形后的所述第二激光束。
11.在一些实施方式中，所述第一隔离器以及所述第二隔离器包括沿激光束传播方向
依次设置的第一检偏器、二分之一波片、法拉第旋光器以及第二检偏器。
12.在一些实施方式中，所述激光源包括谐振腔，所述谐振腔由前后布置的全反射镜和渐变反射透镜组成，其中，所述渐变反射透镜作为输出镜。
13.本发明还提供一种用于金属表面强化的系统，包括前述的激光装置。
14.本发明的有益效果至少包括：1、通过将激光源出射的激光束先分束成两路分束激光，再将两路分束激光各自放大之后，对放大后的两路分束激光进行合束，从而实现了单路高能量激光输出，这样不仅有效利用激光器内部空间，也降低激光器的成本，还能在一定范围内补偿最终激光光斑分布效果。
15.2、通过将削波器设置于激光源之后，可调整经激光源出射的第一激光束的脉宽。
16.3、通过设置第一隔离器，能够防止第一激光束被反射回激光源的谐振腔，能够有效减小对谐振腔以及削波器造成的损伤，通过设置第二隔离器，能够防止第一激光束被反射回预放器，能够有效减小对预放器造成的损伤。
17.4、通过使得谐振腔由前后布置的全反射镜和渐变反射透镜组成，其中，渐变反射透镜作为输出镜，能够使得形成的谐振腔具有良好的模式区分能力和抗扰动性，从而能够以极大的模体积高效率输出激光束。
18.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
19.图1为根据本发明的一种实施方式的激光装置的结构示意图。
具体实施方式
20.为更进一步阐述本发明的技术手段，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的激光装置以及用于金属表面强化的系统的具体实施方式详细说明。
21.如图1所示，本发明所述激光装置，包括沿激光束的传播光路设置的激光源1、分光器2、放大组件3以及合束器4，放大组件3包括第一放大组件31以及第二放大组件32。其中，激光源1用于出射第一激光束11，分光器2用于将第一激光束11分束成第一激光分束111以及第二激光分束112，第一放大组件31用于使第一激光分束111获得高激光能量，第二放大组件32用于使第二激光分束112获得高激光能量，合束器4用于将获得高激光能量的第一激光分束111以及第二激光分束112合束成第二激光束41。
22.本发明通过将激光源出射的激光束先分束成两路分束激光，再将两路分束激光各自放大之后，对放大后的两路分束激光进行合束，从而实现了单路高能量（40-50j）激光输出，这样不仅有效利用激光器内部空间，也降低激光器的成本，还能在一定范围内补偿最终激光光斑分布效果。
23.激光源1包括谐振腔、聚光腔、氙灯、激光晶体，谐振腔由前后布置的全反射镜和渐变反射透镜组成，其中，渐变反射透镜作为输出镜，能够使得形成的谐振腔具有良好的模式区分能力和抗扰动性，从而能够以极大的模体积高效率输出激光束。聚光腔是陶瓷腔体，由
烧结陶瓷材料制成，腔体的内侧壁的表面具有特殊釉层。聚光腔的腔体内部浸泡在冷却水中，其腔体用于包裹氙灯和激光晶体，以形成封闭的泵浦光线反射空间，把氙灯发射的泵浦光反射到激光晶体上，照射激光晶体产生激光增益。氙灯为圆柱形玻璃管，内部充有氙气，能够电能转换成光能。激光晶体吸氙灯辐射的以810nm为主光谱的光能，产生受激辐射放出激光；其中，激光晶体周围包裹的特殊掺杂玻璃管，特殊掺杂玻璃管可以吸收氙灯辐射的紫外线，提升电光转换效率。如图1所示，在一个或多个实施例中，本发明所述激光装置还包括削波器5，削波器5可设置于激光源1之后，用于调整经激光源1出射的第一激光束11的脉宽，削波器5通过高速削波电路板及光学器件实现脉宽的可调。具体地，削波器5可将第一激光束的脉宽在10-30ns范围内进行调整。削波器5可通过调试控制隔离比，以实现较佳的削波效果。
24.如图1所示，在一个或多个实施例中，本发明所述激光装置还包括沿激光束的传播光路依次设置的第一隔离器6、预放器7以及第二隔离器8，其中，第一隔离器6用于将从削波器5射出的第一激光束11隔离，从而防止第一激光束11被反射回激光源1的谐振腔，能够有效减小对谐振腔以及削波器5造成的损伤。预放器7用于将经第一隔离器6隔离的第一激光束11进行预放，预放器7能够使得第一激光束11获得一定的能量。预放器7内设置有直径大于9mm的激光晶体。第二隔离器8用于将经预放器7预放的第一激光束11进行隔离，从而防止第一激光束11被反射回预放器7，能够有效减小对预放器7造成的损伤。
25.如图1所示，分光器2用于将经由第二隔离器8隔离的第一激光束11分束成第一激光分束111以及第二激光分束112，其中，第一激光分束111以及第二激光分束112可以具有相同的能量，也可以具有不同的能量。分光器2可以选用分光镜或偏振片。
26.在一个或多个实施例中，第一放大组件31用于使第一激光分束111获得高激光能量，包括沿激光束传播光路依次设置、具有逐级增大的放大级别的多个放大器，示例地，第一放大组件31包括沿激光束传播方向依次设置的一级放大器311、二级放大器312、三级放大器313以及四级放大器314。
27.一级放大器311、二级放大器312、三级放大器313以及四级放大器314可设置多个，在一个优选实施例中，一级放大器311、二级放大器312、三级放大器313以及四级放大器314可均设置4个。一级放大器311以及二级放大器312所使用的晶体直径相同，均为大于16mm的激光晶体，因此，一级放大器311以及二级放大器312能够使得第一激光分束111获得相同的能量。三级放大器313以及四级放大器314所使用的晶体直径相同，均为大于24mm的激光晶体，因此，三级放大器313以及四级放大器314能够使得第一激光分束111获得相同的能量。
28.在一个或多个实施例中，第一放大组件31还包括用于将第一激光分束111隔离的多个隔离器。示例地，第一放大组件31还包括第三隔离器315以及第四隔离器316，第三隔离器315设置在二级放大器312与三级放大器313之间，用于将经二级放大器312放大的第一激光分束111隔离，从而防止第一激光分束111被反射回二级放大器312，能够有效减小对二级放大器312造成的损伤。第四隔离器316设置在四级放大器314之后，用于将经四级放大器314放大的第一激光分束111隔离，从而防止第一激光分束111被反射回四级放大器314，能够有效减小对四级放大器314造成的损伤。经过第一放大组件31的第一激光分束111能够获得高激光能量且又能够保持激光的质量，同时能降低对光学元件的破坏和损伤。
29.如图1所示，在一个或多个实施例中，第二放大组件32用于使第二激光分束112获
得高激光能量，包括沿激光束传播方向依次设置、具有逐级增大的放大级别的多个放大器，示例地，第二放大组件32包括沿激光束传播方向依次设置的一级放大器321、二级放大器322、三级放大器323以及四级放大器324。
30.一级放大器321、二级放大器322、三级放大器323以及四级放大器324可设置多个，在一个优选实施例中，一级放大器321、二级放大器322、三级放大器323以及四级放大器324可均设置4个。一级放大器321以及二级放大器322所使用的晶体直径相同，均为大于16mm的激光晶体，因此，一级放大器321以及二级放大器322能够使得第二激光分束112获得相同的能量。三级放大器323以及四级放大器324所使用的晶体直径相同，均为大于24mm的激光晶体，因此，三级放大器323以及四级放大器324能够使得第二激光分束112获得相同的能量。
31.在一个或多个实施例中，第二放大组件32还包括用于将第二激光分束112隔离的多个隔离器。示例地，第二放大组件32还包括第五隔离器325以及第六隔离器326，第五隔离器325设置在二级放大器322与三级放大器323之间，用于将经二级放大器322放大的将第二激光分束112隔离，从而防止将第二激光分束112被反射回二级放大器322，能够有效减小对二级放大器322造成的损伤。第六隔离器326设置在四级放大器324之后，用于将经四级放大器324放大的第二激光分束112隔离，从而防止第二激光分束112被反射回四级放大器324，能够有效减小对四级放大器324造成的损伤。经过第二放大组件32的第二激光分束112能够获得高激光能量且又能够保持激光的质量，同时能降低对光学元件的破坏和损伤。
32.如图1所示，在一个或多个实施例中，本发明所述激光装置还包括光束整形器9，光束整形器9用于对第二激光束41进行整形以使其满足各种应用的需求，并输出整形后的第二激光束41。
33.需要说明的是，第一放大组件31以及第二放大组件32需要控制各个放大器的输入光斑大小、输出光斑大小以及发散角以实现较佳的放大效果。本发明中所使用的各个隔离器可通过调试控制隔离比以实现较佳的隔离效果，并且处在不同位置的隔离器需要根据激光晶体的直径选择合适尺寸。隔离器可包括沿激光束的传播方向依次设置的第一检偏器、二分之一波片、法拉第旋光器、以及第二检偏器，其中，第一检偏器以及第二检偏器用于检测激光束是否为偏振光，二分之一波片用于改变激光束的偏振状态，法拉第旋光器用于使得激光束的偏振状态旋转。
34.本发明还提供一种用于金属表面强化的系统，在该系统中，使用上述的激光装置对金属的表面进行冲击强化。
35.本发明中涉及的诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。
36.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够实施本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。