Método de funcionamiento de un láser para obtener un impulso de salida de radiación láser que presenta una longitud de onda única,

incluyendo el láser un resonador (50) dispuesto como un anillo óptico con un número impar de reflectores (M1, M2, P1) que incluyen un divisor de haz polarizante y unos medios para controlar la polarización en el interior del resonador dispuestos como un acoplador de salida (P1) que presenta una reflectividad ajustable, un medio activo (R) posicionado en el interior del resonador y una fuente de bombeo (60), comprendiendo el méto- do: inducir una pérdida intracavidad en el resonador mediante el control de la polarización en el interior del resonador para limitar la reflectividad del acoplador de salida, siendo la pérdida una cantidad que evita la oscilación durante un tiempo en el que se está almacenando en el medio activo energía de la fuente de bombeo; acumular ganancia con energía de la fuente de bombeo en el medio activo (R) hasta la formación de un impulso de oscilación de relajación de frecuencia única en el resonador; y reducir la pérdida intracavidad inducida en el resonador al producirse la detección del impulso de oscilación de relajación mediante el control de la polarización en el interior del resonador para incrementar la reflectividad del acoplador de salida de manera que se da salida a la ganancia acumulada almacenada en el medio activo desde el resonador como un impulso de salida a la frecuencia única; en el que el anillo óptico está dispuesto para autocancelar el desalineamiento de los reflectores

Láser de anillo de estado sólido de frecuencia única autogerminado, método de granallado por láser y sistema que utiliza los mismos.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a métodos que usan láseres para producir una salida de una sola frecuencia con un ancho de línea estrecho, al uso de dichos láseres en configuraciones de oscilador maestro/amplificador de potencia, y a métodos y sistemas de granallado con láser basado en los mismos.

El uso de impactos mecánicos para conformar metales y mejorar las propiedades de sus superficies se ha realizado durante mucho tiempo. En la práctica industrial actual un tratamiento de granallado de las superficies metálicas se logra usando granalla a alta velocidad. El tratamiento mejora las propiedades de la superficie y, lo que es muy importante para muchas aplicaciones, da como resultado una pieza que presenta una resistencia significativamente mejorada a la fatiga y al deterioro por corrosión. En las industrias aerospacial y de automoción se granalla una amplia variedad de componentes. No obstante, para muchas aplicaciones, el granallado no proporciona un tratamiento suficientemente intenso o profundo o no se puede usar debido a su efecto perjudicial sobre el acabado de la superficie.

Con la invención del láser, se reconoció rápidamente que los impactos intensos requeridos para el granallado se podrían lograr por medio de un plasma compactado controlado por láser. B.P. Fairand, et al., "Laser Shot Induced Microstructrual and Mechanical Property Changes in 7075 Aluminium", Journal of Applied Physics, Vol. 43, nº 9, pág. 3893, septiembre de 1972. Típicamente, por medio de láseres de alta densidad de energía (aproximadamente 200 j/cm²), corta duración de impulso (aproximadamente 30 nanosegundos), en las superficies metálicas se genera un impacto plasmático de entre 10 kB y 30 kB. Una capa fina de pintura negra u otro material absorbente sobre la superficie metálica proporciona un absorbente para evitar la ablación del metal. Un material de contención o compactación tal como el agua cubre la capa de la superficie proporcionando un impacto de intensidad aumentada. Se ha demostrado que estos impactos comunican tensiones de compresión, más profundas y más intensas, que el granallado convencional. En las pruebas, se ha demostrado que este tratamiento es superior para el reforzamiento de componentes con respecto a la fatiga y el deterioro por corrosión. No obstante, ha resultado difícil proporcionar láseres tanto con una energía suficiente como con una velocidad de repetición suficiente para lograr un rendimiento productivo con costes asequibles.

En la patente anterior US nº 5.239.408, titulada HIGH POWER, HIGH BEAM QUALITY REGENERATIVE AMPLIFIER, se describe un sistema de láser que se ha utilizado con esta finalidad. El sistema de láser descrito en la patente US nº 5.239.408 mencionada anteriormente comprende un amplificador de alta potencia en una configuración MOPA oscilador maestro/amplificador de potencia, con capacidad de producir impulsos de salida mayores que 20 julios por impulso, siendo el ancho del impulso del orden de 30 nanosegundos o menor. La patente US nº 5.239.408 se refiere a la patente US nº 5.022.033, titulada RING LASER HAVING AN OUTPUT AT A SINGLE FREQUENCY, como una implementación de un oscilador maestro. La geometría del oscilador descrita en el documento 5.022.033 produce impulsos de muy baja energía y, por lo tanto, requiere muchas más pasadas de amplificador que las que se pueden lograr con el sistema de amplificador descrito en el documento 5.239.408. En algunas aplicaciones, el oscilador maestro usado en el sistema de la patente US nº 5.239.408 era un oscilador de ondas estacionarias (resonador lineal de 2 espejos) con un etalón acoplador de salida.

El rendimiento de la configuración MOPA está limitado en cierto grado por la calidad del impulso germinal proporcionado por el oscilador maestro. Los osciladores maestros de la técnica anterior han podido suministrar impulsos germinales de osciladores con conmutación de Q, de una sola frecuencia y de alta calidad. No obstante, ha resultado difícil mantener sustancialmente constantes el ancho del impulso y la energía del mismo en un entorno de producción con una energía suficiente del impulso.

En general, en muchas aplicaciones es deseable disponer de impulsos de osciladores con conmutación de Q, de una sola frecuencia, a partir de un láser de estado sólido, tanto para generar perfiles temporales uniformes reproducibles, sin modulación por múltiples modos longitudinales, como para lograr la mejor inversión del frente de onda con amplificadores que usan conjugación por SBS. La salida de modo longitudinal único desde un oscilador láser con conmutación de Q se ha demostrado mediante el bloqueo por inyección de un oscilador maestro de frecuencia única y de baja potencia, Hanna, et al., "Single Longitudinal Mode Selection of High Power Actively Q-Switched Laser", OPTICAL-ELECTRONICS 4, 239-256 (1972). No obstante, esta técnica requiere una adaptación cuidadosa de los modos entre los osciladores maestro y subordinado y una estabilización activa de la longitud de la cavidad para el oscilador subordinado con conmutación de Q.

Otro método para lograr una salida de frecuencia única se proporciona tal como se describe en la patente US nº 5.022.033, que utiliza un resonador autogerminado. En este planteamiento de la técnica anterior se permitía el desarrollo de un impulso germinal manteniendo un haz débil de frecuencia única, de onda continua (CW), en el resonador mediante la gestión de la pérdida intracavidad. Mediante la conmutación de la Q se genera un impulso de salida que presenta unas cualidades de haz similares a las del haz de CW debido a que la oscilación que produce el impulso con conmutación de Q se desarrolla a partir del haz débil de CW bastante separado con respecto a cualquier modo competidor. No obstante, la energía por impulso y los anchos de los impulsos pueden variar, por ejemplo, con la deriva de la energía de bombeo, suministrada por lámparas de destellos u otras fuentes de energía de bombeo, para el láser de anillo. De este modo, la consistencia de los parámetros de los impulsos es relativamente deficiente, y, para operaciones de granallado por láser con impulsos de salida lo más consistentes posibles, sería necesario ajustar constantemente parámetros ópticos del oscilador germinal, tales como la energía de la lámpara de destellos y similares. Una de las principales desventajas de este planteamiento es las elevadas duraciones de impulso (200 ns) y las bajas energías de impulso que se obtienen como resultado de las deficiencias de mantener una oscilación germinal constante de CW ejecutándose entre impulsos.

En "Electronic Line Width Narrowing Method for Single Axial Mode Operation of Q-Switched Nd:YAG Lasers", OPTICAL COMMUNICATIONS 37, 411-416 (1981), de Park et al., se describe una variante de un oscilador autogerminado.

"High power, single frequency operation of a Q-switched TEM_oo Mode NdYAG laser", OPTICAL COMMUNICATIONS 40, 54-58 (1981), de Berry et al., da a conocer un láser de NdYAG con conmutación activa de Q, que usa una configuración telescópica de resonador para producir un único modo longitudinal. "Stable single-mode operation of a Q-switched laser by a simple resonator length control technique", OPTICAL COMMUNICATIONS 43, 414-418 (1982), de Hanna et al., da a conocer una ampliación simple para la técnica de conmutación de Q con "emisión láser prematura" para garantizar que un láser de NdYAG con conmutación de Q, en modo TEM_oo, produce una oscilación de un solo modo longitudinal en cada disparo. "Design and operation of a 150W near diffraction-limited laser amplifier with SBS wavefront correction", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS 31, 148-163, (1995), de Dane et al., da a conocer el diseño y funcionamiento de un amplificador regenerativo de Nd:vidrio que usa un espejo con conjugación de fase por dispersión de Brillouin estimulada (SBS). La patente US nº 5.646.952 da a conocer un láser pulsado que comprende una barra de láser y bombeado mediante una matriz de diodos seleccionada de tal manera que, con componentes adicionales, únicamente se genera un máximo de dos modos longitudinales entre el espejo y el acoplador de salida. El documento WO 02/29487 da a conocer un sistema de láser pulsado de múltiples colores,...

1. Método de funcionamiento de un láser para obtener un impulso de salida de radiación láser que presenta una longitud de onda única, incluyendo el láser un resonador (50) dispuesto como un anillo óptico con un número impar de reflectores (M1, M2, P1) que incluyen un divisor de haz polarizante y unos medios para controlar la polarización en el interior del resonador dispuestos como un acoplador de salida (P1) que presenta una reflectividad ajustable, un medio activo (R) posicionado en el interior del resonador y una fuente de bombeo (60), comprendiendo el méto- do:

inducir una pérdida intracavidad en el resonador mediante el control de la polarización en el interior del resonador para limitar la reflectividad del acoplador de salida, siendo la pérdida una cantidad que evita la oscilación durante un tiempo en el que se está almacenando en el medio activo energía de la fuente de bombeo;

acumular ganancia con energía de la fuente de bombeo en el medio activo (R) hasta la formación de un impulso de oscilación de relajación de frecuencia única en el resonador; y

reducir la pérdida intracavidad inducida en el resonador al producirse la detección del impulso de oscilación de relajación mediante el control de la polarización en el interior del resonador para incrementar la reflectividad del acoplador de salida de manera que se da salida a la ganancia acumulada almacenada en el medio activo desde el resonador como un impulso de salida a la frecuencia única; en el que el anillo óptico está dispuesto para autocancelar el desalineamiento de los reflectores.

2. Método según la reivindicación 1, en el que

el medio activo (R) comprende un material de estado sólido dopado con neodimio, y la frecuencia única es aproximadamente 1,05 micrómetros.

3. Método según la reivindicación 1, en el que dicha fuente de bombeo (60) comprende una fuente de energía óptica.

4. Método según la reivindicación 1, en el que dicha fuente de bombeo (60) comprende una lámpara de destellos.

5. Método según la reivindicación 1, en el que dicha fuente de bombeo (60) comprende uno o más diodos láser.

6. Método según la reivindicación 1, en el que el acoplador de salida de reflectividad ajustable (P1) comprende el divisor de haz polarizante que presenta una polarización de reflexión y una polarización de transmisión, un rotador de polarización que se regula estáticamente y una célula Pockels (PC) controlada electrónicamente como los medios para controlar la polarización en el interior del resonador, y dicho incremento de la reflectividad comprende controlar la célula Pockels para hacer girar la polarización dentro del resonador en la dirección de la polarización de reflexión del divisor de haz polarizante.

7. Método según la reivindicación 1, que incluye generar una pluralidad de impulsos de salida que presentan una amplitud de impulso y un ancho de impulso sustancialmente constantes mediante la repetición de dichas etapas de inducción, acumulación y reducción.

8. Método según la reivindicación 1, en el que el impulso de salida presenta un ancho de impulso inferior a 30 nanosegundos de anchura a mitad de la altura máxima.

9. Método según la reivindicación 1, que incluye controlar la cantidad del incremento de la reflectividad del acoplador de salida (P1) para establecer un ancho de impulso deseado.

10. Método según la reivindicación 1, en el que el acoplador de salida (P1) incluye una célula Pockels (PC) controlada electrónicamente como los medios para controlar la polarización en el interior del resonador, y el método incluye controlar la reflectividad del acoplador de salida (P1) mediante el control de la polarización en el divisor de haz polarizante utilizando la célula Pockels (PC).

11. Método según la reivindicación 10, en el que dicho control de la polarización comprende controlar impulsos de voltaje aplicados a la célula Pockels.

12. Método según la reivindicación 1, en el que el resonador comprende una pluralidad de etalones (E1, E2, E3).

13. Método según la reivindicación 12, que incluye detectar una aparición del impulso de oscilación de relajación antes de un pico del impulso de oscilación de relajación, en un punto que se produce a menos de 5% de la potencia de pico media de dichos impulsos.

14. Método según la reivindicación 12, que incluye detectar una aparición del impulso de oscilación de relajación antes de un pico del impulso de oscilación de relajación, en un punto que se produce a menos de 1% de la potencia de pico media de dichos impulsos.

15. Método según la reivindicación 1, que incluye posicionar una apertura (A) dentro del resonador para permitir un modo transversal único en el impulso de salida.

16. Método según la reivindicación 1, que incluye suprimir oscilaciones en una dirección dentro del anillo con componentes que actúan como un diodo óptico.

17. Sistema de láser, que comprende:

un resonador láser con acoplador de salida (P1) de reflectividad ajustable, comprendiendo el acoplador un divisor de haz polarizante que presenta una polarización de reflexión y una polarización de transmisión, e incluyendo el resonador láser un número impar de reflectores (P1, M1, M2) que incluyen el acoplador de salida (P1), y dispuestos en un anillo óptico para autocancelar el desalineamiento de los reflectores;

unos medios para controlar la polarización en el interior del resonador;

un medio activo (R) en el resonador;

una fuente de energía (60), acoplada al medio activo, para bombear el medio activo;

un detector (53), acoplado al resonador, para detectar energía de oscilación en el resonador; y

un controlador, acoplado a la fuente de energía, los medios para controlar la polarización en el interior del resonador y el detector, con el fin de fijar condiciones que inducen pérdida de acoplamiento de salida en el resonador en un nivel que permite la acumulación de ganancia en el medio activo utilizando los medios para controlar la polarización en el interior del resonador para limitar la reflectividad del acoplador de salida durante la acumulación con el fin de producir un impulso de oscilación de relajación de frecuencia única, y para hacer girar la polarización dentro del resonador en la dirección de la polarización de reflexión del divisor de haz polarizante con el fin de reducir la pérdida en el resonador mediante el incremento de la reflectividad del acoplador de salida, de manera que se genera un impulso de salida que presenta una frecuencia única.

18. Sistema según la reivindicación 17, que incluye un etalón en el resonador dispuesto de manera que reflexiones de longitudes de onda no deseables no se acoplan de vuelta al resonador.

19. Sistema según la reivindicación 17, que incluye un conjunto de etalones (E1, E2, E3) en el resonador adaptados para limitar la oscilación a un único modo de la cavidad longitudinal.

20. Sistema según la reivindicación 17, en el que los medios para controlar la polarización en el interior del resonador comprenden una célula Pockels (PC).

21. Sistema según la reivindicación 17, en el que el medio activo (R) comprende un material de estado sólido dopado con neodimio, y la frecuencia única es aproximadamente 1,05 μm.

22. Sistema según la reivindicación 17, en el que dicha fuente de bombeo (60) comprende una fuente de energía óptica.

23. Sistema según la reivindicación 17, en el que dicha fuente de bombeo (60) comprende una lámpara de destellos.

24. Sistema según la reivindicación 17, en el que dicha fuente de bombeo (60) comprende un diodo láser.

25. Sistema según la reivindicación 17, en el que el detector detecta una aparición de la oscilación de relajación antes de un pico del impulso de oscilación de relajación.

26. Sistema según la reivindicación 17, en el que el detector detecta una aparición de la oscilación de relajación, y el controlador aplica una señal de control a los medios para controlar la polarización en el interior del resonador como respuesta a la aparición detectada.

27. Sistema según la reivindicación 17, que incluye unos componentes ópticos en el resonador que actúan como un diodo óptico.

28. Sistema según la reivindicación 17, en el que el número impar de reflectores en el resonador incluye un reflector plano que presenta una montura ajustable que fija un ángulo de reflexión, pudiéndose así realizar ajustes de una longitud del anillo óptico ajustando el ángulo de reflexión del reflector plano.

29. Sistema según la reivindicación 17, que incluye una apertura limitadora del modo transversal en el resonador láser.

30. Sistema según la reivindicación 17, en el que el acoplador de salida de reflectividad ajustable comprende el divisor de haz polarizante, una célula Pockels y un elemento de rotación de polarización estática en el resonador que se ajusta para condiciones particulares del láser en el resonador con el fin de fijar una cantidad de luz que es transmitida por el divisor de haz polarizante durante la acumulación de ganancia.

31. Sistema según la reivindicación 17, en el que el controlador fija la polarización durante el impulso de oscilación de relajación usando los medios para controlar la polarización en el interior del resonador con el fin de establecer un ancho de impulso.

32. Sistema según la reivindicación 17, en el que los medios para controlar la polarización en el interior del resonador comprenden una célula Pockels, y el controlador aplica a la célula Pockels un voltaje ajustable cuando se reduce la pérdida de acoplamiento de salida desde el resonador, estableciendo el voltaje ajustable una cantidad de reflectividad del divisor de haz polarizante para establecer un ancho de impulso.

33. Sistema según la reivindicación 17, en el que el acoplador de salida comprende el divisor de haz polarizante, una célula Pockels y un elemento de rotación de polarización estática para fijar una cantidad de luz que es transmitida por el divisor de haz polarizante durante la acumulación de ganancia.

34. Sistema según la reivindicación 17, que comprende además:

un polarizador estático en el resonador;

un diodo óptico en el resonador;

uno o más etalones en el resonador;

siendo los medios para controlar la polarización en el interior del resonador una célula Pockels; y

siendo realizada la rotación de la polarización dentro del resonador por la célula Pockels para producir una polarización objetivo, estando adaptado el controlador para aplicar un voltaje ajustable a la célula Pockels en respuesta a la detección de la aparición del impulso de oscilación de relajación con el fin de ajustar la polarización objetivo dentro del resonador para fijar un ancho de impulso para el impulso de salida.

35. Método según la reivindicación 1, que incluye

suprimir la oscilación en una dirección dentro del anillo con componentes que actúan como un diodo óptico; y

suprimir la oscilación dentro del anillo en longitudes de onda diferentes a la longitud de onda única.

36. Método para el granallado por impactos láser de superficies de piezas de trabajo (311), que comprende:

producir una secuencia de impulsos germinales que presentan una longitud de onda única mediante el funcionamiento de un láser según el método según la reivindicación 1 y, además, con amplitud y ancho de impulso sustancialmente constantes;

suministrar la secuencia de impulsos germinales a un amplificador láser para inducir una secuencia de impulsos de salida de energía superior que presentan dicha frecuencia única; y

posicionar dichas piezas de trabajo en cooperación con dichos impulsos de salida para el granallado de las regiones diana sobre dichas superficies.

37. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos germinales presenta una amplitud con una variación inferior a 5% durante dicho posicionamiento para el granallado de las regiones diana sobre dichas superficies.

38. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos germinales presenta un ancho de impulso con una variación inferior a 5% durante dicho posicionamiento para el granallado de las regiones diana sobre dichas superficies.

39. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos germinales presenta una amplitud con una variación de aproximadamente el 1%, o inferior, durante dicho posicionamiento para el granallado de las regiones diana sobre dichas superficies.

40. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos germinales presenta un ancho de impulso con una variación de aproximadamente 1%, o inferior, durante dicho posicionamiento para el granallado de las regiones diana sobre una pluralidad de piezas de trabajo.

41. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos germinales presenta una frecuencia de repetición mayor que más de un impulso por segundo, y mantiene dichos amplitud y ancho de impulso sustancialmente constantes de una fuente de los impulsos germinales sin ajustar los parámetros ópticos durante un intervalo significativo, durante el cual se realiza el granallado de una pluralidad de piezas de trabajo en un entorno de producción.

42. Método según la reivindicación 36, que incluye mantener dichos amplitud y ancho de impulso sustancialmente constantes sin ajustar los parámetros ópticos de una fuente de los impulsos germinales, durante más de tres días de utilización sobre una pluralidad de piezas de trabajo en un entorno de produc- ción.

43. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos germinales mantiene dichos amplitud y ancho de impulso sustancialmente constantes durante por lo menos un millón de impulsos de funcionamiento secuencial en un entorno de producción.

44. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos de salida de potencia superior comprende impulsos que presentan una energía sustancialmente constante por impulso en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 100 julios por impulso durante por lo menos un millón de impulsos de funcionamiento secuencial en un entorno de producción.

45. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos de salida de potencia superior comprende impulsos que presentan un ancho de impulso sustancialmente constante en un intervalo de aproximadamente 20 a 30 nanosegundos durante por lo menos un millón de impulsos de funcionamiento secuencial en un entorno de producción.

46. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos de salida de potencia superior comprende impulsos que presentan una energía sustancialmente constante por impulso en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 100 julios por impulso y un ancho de impulso sustancialmente constante en un intervalo de aproximadamente 20 a 30 nanosegundos durante su utilización sin intervención por parte de operarios durante un intervalo significativo en un entorno de producción.

47. Método según la reivindicación 36, en el que dicha secuencia de impulsos de salida de potencia superior comprende impulsos que presentan una energía sustancialmente constante por impulso en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 100 julios por impulso y un ancho de impulso sustancialmente constante en un intervalo de aproximadamente 20 a 30 nanosegundos durante su utilización durante por lo menos 3 días en un entorno de producción.