Sistema de espejo de fase conjugada de dispersión de Brillouin estimulada SBS,

que comprende: un telescopio de retransmisión (200) que presenta un punto focal de telescopio, que retransmite una imagen de un haz de entrada en una línea de haz; una primera celda SBS (212) en la línea del haz adyacente al telescopio de retransmisión, y una celda enfocada SBS (213) en la línea del haz, cuyo punto focal SBS se encuentra en el interior de la celda enfocada SBS; y un atenuador ajustable (216) en la línea del haz entre la primera celda SBS y la celda enfocada SBS

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de espejo de la dispersión de Brillouin estimulada, a un sistema láser y a un procedimiento de amplificación.

Las formas de realización de la presente invención se refieren a procedimientos en los que se utilizan sistemas láser de elevada potencia y sistemas de espejo para láseres de elevada potencia basados en la conjugación de fase de dispersión de Brillouin estimulada SBS, para utilizar dicho tipo de láseres en configuraciones de oscilador máster/amplificador de potencia, así como a procedimientos y sistemas de tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser basados en el mismo efecto.

Descripción de la técnica relacionada

Los choques mecánicos para conformar metales y para mejorar las propiedades de su superficie se han realizado desde hace mucho tiempo. En la práctica industrial actual, el tratamiento de martilleo de las superficies metálicas se obtiene mediante granallado a velocidad elevada. Dicho tratamiento mejora las propiedades superficiales y lo que resulta esencial en muchas aplicaciones es que en parte se alcance una mejora significativa de la resistencia a fallos debidos a la fatiga y la corrosión. Una amplia gama de componentes se somete a endurecimiento por granallado en las industrias de la automoción y la aeronáutica. Sin embargo, en muchas aplicaciones el endurecimiento por granallado no proporciona un tratamiento suficientemente intenso o profundo, o bien no es posible utilizarlo por su efecto perjudicial en el acabado de la superficie.

Al inventar el láser, se reconoció rápidamente que los choques intensos requeridos para el martilleo se podían efectuar mediante un plasma compactado accionado por láser. B. P. Fairand, et al “Laser Shot Induced Microstructural and Mechanical Property Changes in 7075 Aluminium”, Journal of Applied Physics, Vol. 43, nº 9, página 3.893, septiembre de 1972. Típicamente, una colisión en el plasma comprendida entre 10 kB y 30 kB se genera en las superficies metálicas empleando láseres de elevada densidad de energía (unos 200 j/cm2) y con impulsos de duración corta (aproximadamente 30 nanosegundos). Una capa delgada de tira metálica, pintura negra u otro material absorbente en la superficie metálica impide la ablación del metal. Un material de confinamiento o apisonado (por compactación), por ejemplo agua, cubre la capa superficial y proporciona un choque de mayor intensidad. Se ha puesto de manifiesto que dichos choques provocan unas tensiones de compresión más profundas e intensas, en relación con el endurecimiento por granallado estándar. En los ensayos, se ha apreciado que dicho tratamiento es mejor para reforzar los componentes ante fallos debido a la fatiga y a la corrosión. Sin embargo, los láseres de elevada energía y suficiente velocidad de repetición a fin de obtener el rendimiento productivo requerido a un coste razonable se obtienen con dificultad.

Un sistema láser que se ha utilizado con este propósito se describe en la patente anterior US nº 5.239.408, titulada “HIGH POWER, HIGH BEAM QUALITY REGENERATIVE AMPLIFIER” del mismo solicitante. El sistema láser descrito en la patente US nº nº 5.239.408 que acaba de mencionarse comprende un amplificador de elevada potencia en configuración MOPA (oscilador máster/amplificador de potencia), que puede producir impulsos a la salida de un valor superior a 20 joules y cuya anchura comprende entre 20 y 30 nanosegundos o menos, empleando una configuración de corrección del frente de ondas basada en un sistema de espejo/conjugador de fase de dispersión de Brillouin estimulada SBS. La patente ‘408 hace referencia a la patente US nº 5.022.033, titulada “RING LASER HAVING AN OUTPUT AT A SINGLE FREQUENCY”, como una ejecución de un oscilador máster. La geometría del oscilador descrita en la patente US nº 5.022.033 produce impulsos de energía muy baja y por lo tanto se requieren muchas más etapas de amplificación que con el sistema amplificador descrito en la patente US nº nº

5.239.408. En algunas aplicaciones, el oscilador máster utilizado en el sistema de la patente US nº nº 5.239.408 era un oscilador de onda estacionaria (resonador lineal de 2 espejos) con un acoplador de salida basado en un etalón. Una configuración adicional de oscilador máster se describe en nuestra solicitud de patente en trámite US nº 10/696.989, presentada el 30 de octubre de 2003, titulada “SELF-SEEDED SINGLE-FREQUENCY SOLID-STATE RING LASER, AND SINGLE-FREQUENCY LASER PEENING METHOD AND SYSTEM USING SAME”.

Un sistema láser de elevada potencia como el definido en la patente US nº nº 5.239.408 y en la patente US nº

5.689.363 “LONG-PULSE-WIDTH NARROW-BANDWIDTH SOLID STATE-LASER”, utiliza un telescopio de retransmisión para retransmitir imágenes del haz desde el extremo de inyección del sistema al extremo del amplificador y de vuelta. Durante el proceso de amplificación, el haz atraviesa el telescopio de retransmisión, atraviesa un amplificador, atraviesa de vuelta dicho telescopio de retransmisión y a continuación se desvía con una rotación de su polarización seguido de la reflexión o de la transmisión, por un elemento polarizador. Durante el proceso de división de la polarización, el haz no se separa totalmente debido a que la rotación de la polarización no se completa al 100% y debido a un valor inferior del 100% de separación (contraste) realizada por el polarizador. La parte no separada del haz continúa atravesando el telescopio de retransmisión y se reamplifica, de manera que, a menudo, se obtiene potencia suficiente para que pueda ser perjudicial en cualquier punto del sistema óptico. Los reflejos parásitos o "fantasma" se pueden asimismo amplificar, por lo que es necesario separarlos del haz principal. Se necesita algún tipo de ajuste de las piezas a fin de obtener un sistema alineado, por lo tanto amplificándose y propagándose los haces de elevada potencia requeridos, quedando eliminados los haces no pretendidos.

Los presentes inventores han demostrado que es muy importante disponer una imagen retransmitida de la abertura de distorsión del amplificador a la entrada del espejo de fase conjugada SBS. De este modo, se evita que la propagación óptica libre del haz distorsionado, que puede causar aberraciones de fase introducidas por la amplificación, se convierta en heterogeneidades en el perfil espacial (distribución de radiación) del haz. Se trata de un factor crítico, puesto que un conjugador de fase SBS invierte muy eficazmente el frente de ondas óptico de un haz de entrada, pero a menudo no reproduce el perfil de radiación con elevada fidelidad. Por este motivo, es posible que los errores en el frente de onda que se convierten en errores de la distribución de radiación no se corrijan adecuadamente. En el sistema de imagen retransmitida, los errores del frente de ondas se transportan con precisión al conjugador de fase SBS. Las irregularidades introducidas por una reproducción imperfecta de la radiación en el espejo no lineal quedan entonces minimizadas en las pasadas finales por el amplificador, debido a la saturación de la ganancia en dicho(s) amplificador(es).

Sin embargo, el sistema amplificador multipaso puede generar haces débiles "fantasma" sin pretenderlo, que resultan de pequeñas deficiencias en el control de la polarización empleada para conmutar el camino del haz. El tren óptico de amplificación se diseña de modo que dichos haces débiles “fantasma” se emitan con ángulos ligeramente distintos respecto al haz principal, de modo que teóricamente no deberían interferir con el conjugador de fase SBS del haz principal mucho más potente. Sin embargo, cuando el espejo SBS se hace funcionar a energía muy elevada, bastante superior a su umbral, dichos haces débiles podrían entrar en la celda y, aún estando sin ayuda debajo de su umbral, podrían reflejarse eficazmente en el espejo SBS en una interacción no lineal de mezcla de cuatro ondas con los haces principales de entrada y salida. En este caso, dichos haces podrían ocasionar daños a los componentes ópticos del sistema a lo largo de su propagación en el interior del amplificador.

Un láser de fase conjugada SBS en configuración MOPA presenta unas características de alineación muy resistentes, puesto que la aberración más reducida que se corrige mediante el espejo de fase conjugada está inclinada. Esto significa que sistema láser es muy tolerante a pequeñas desviaciones de la alineación precisa de los... [Seguir leyendo]

1. Sistema de espejo de fase conjugada de dispersión de Brillouin estimulada SBS, que comprende:

un telescopio de retransmisión (200) que presenta un punto focal de telescopio, que retransmite una imagen de un haz de entrada en una línea de haz;

una primera celda SBS (212) en la línea del haz adyacente al telescopio de retransmisión, y una celda enfocada SBS (213) en la línea del haz, cuyo punto focal SBS se encuentra en el interior de la celda enfocada SBS; y

un atenuador ajustable (216) en la línea del haz entre la primera celda SBS y la celda enfocada SBS.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicha primera celda SBS (212) comprende un medio SBS, y que está adaptada para un haz colimado o prácticamente colimado en el interior del medio SBS.

3. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicho atenuador ajustable (216) comprende un divisor de haces ajustable, mediante el cual una parte del haz se desvía de la línea del haz.

4. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicho atenuador ajustable (216) comprende una placa parcialmente reflectante, dispuesta formando un ángulo de incidencia ajustable en la línea del haz, mediante el cual una parte del haz se desvía de la línea del haz, y de tal modo que la reflectividad de la placa parcialmente reflectante puede modificarse girando la placa para variar el valor del ángulo de incidencia ajustable.

5. Sistema según la reivindicación 1, en el que se suministra un haz de entrada con un impulso de entrada al telescopio de retransmisión (200), y en el que la celda enfocada SBS (213) presenta un umbral no lineal SBS, de tal modo que el ajuste del atenuador ajustable (216) provoque un desplazamiento temporal del impulso en el cual dicha celda enfocada de SBS (213) alcanza el umbral no lineal SBS, controlando de este modo la anchura del impulso de una reflexión del impulso de entrada.

6. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicha primera celda SBS (212) comprende un medio SBS, y dicho medio SBS comprende un compuesto de perfluoro.

7. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicha primera celda SBS (212) comprende un medio SBS en una cámara sellada, y el medio SBS comprende un compuesto de perfluoro filtrado que esencialmente no presenta contaminantes en particular con un tamaño superior a aproximadamente 0,1 micrones.

8. Sistema según la reivindicación 1, en el que la celda enfocada SBS (213) comprende un medio SBS en una cámara sellada, y el medio SBS comprende un compuesto de perfluoro filtrado que esencialmente no presenta contaminantes en partículas con un tamaño superior a aproximadamente 0,1 micrones.

9. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicha primera celda SBS (212) y la celda enfocada SBS (213) comprenden unos medios SBS en las respectivas cámaras selladas, y los medios SBS comprenden un compuesto de perfluoro filtrado que esencialmente no presenta contaminantes en particular con un tamaño superior a aproximadamente 0,1 micrones.

10. Sistema según la reivindicación 1, que comprende:

un divisor de haces entre la primera celda SBS y el telescopio de retransmisión, que dirige una fracción del haz por una trayectoria alternativa de haz con un punto focal de trayectoria alternativo; y

un detector de alineación en el punto focal de trayectoria alternativo.

11. Sistema según la reivindicación 1, que comprende:

un deflector (203) en el punto focal del telescopio que corta el paso de los haces angulares.

12. Sistema según la reivindicación 1, en el que en dicha primera y segunda celdas SBS existe un medio líquido SBS, que comprende:

una bomba y un filtro acoplados por lo menos a una de entre la primera o segunda celdas SBS, para filtrar in situ el medio líquido SBS.

13. Sistema según la reivindicación 1, en el que en dicha primera y segunda celdas SBS existe un medio líquido SBS, que comprende:

una bomba y un filtro acoplados por lo menos a una de entre la primera o segunda celdas SBS, para filtrar in situ el medio líquido SBS, y presentando el filtro un tamaño de poro de aproximadamente 0,1 micrones o menos.

14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que por lo menos en la primera celda SBS y en la celda enfocada SBS existe un medio SBS que comprende un compuesto de perfluoro que presenta un índice de refracción no lineal negativo con un valor absoluto inferior a aproximadamente 1x10-12 esu.

15. Sistema según la reivindicación 14, en el que dicho compuesto comprende un compuesto de perfluoro que presenta un índice de refracción no lineal de aproximadamente -4,7x10-13 esu, un umbral de aproximadamente 2,5 mJ para un anchura del impulso aproximadamente de 18 nanosegundos, y una ganancia no lineal de aproximadamente 6,2 GW/cm.

16. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que la primera celda SBS y la celda enfocada SBS forman un conjugador de fase, y en el que el telescopio de retransmisión retransmite imágenes de una salida de un medio de ganancia entre una localización de imagen en la línea del haz y una localización de imagen en la proximidad del conjugador de fase.

17. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que el atenuador ajustable es capaz de aceptar impulsos de entrada de un valor superior a 2 joules por impulso, y aceptando dicho sistema impulsos de entrada de un anchura de hasta aproximadamente 1 microsegundo y suministrando impulsos reflejadas con anchuras de impulsos ajustables.

18. Procedimiento para amplificar un impulso láser, que comprende:

acoplar un impulso de germen en una trayectoria óptica en forma de anillo que incluye un medio amplificador;

invertir la fase del impulso mediante la conjugación de fase SBS tras uno o más pasos a través del anillo durante el cual dicho impulso atraviesa el medio amplificador;

acoplar un impulso de salida del anillo después de que dicho impulso haya atravesado el medio amplificador en un número igual de pasos a través del anillo en sentido opuesto; caracterizado porque

se controla la anchura de impulso de un impulso de salida controlando un umbral de dicha conjugación de fase SBS.

19. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha inversión de fase incluye la retransmisión de una imagen de un impulso desde el medio amplificador hasta un sistema SBS, y la inducción de la conjugación de fase en dicho sistema SBS.

20. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha inversión de fase incluye disponer un sistema de espejo SBS que comprende una celda colimada SBS (212) y una celda enfocada SBS (213) en la cavidad.

21. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha inversión de fase incluye disponer un sistema de espejo SBS que comprende una celda colimada SBS (212) y una celda enfocada SBS (213) en la cavidad; de tal modo que el control de la anchura del impulso comprende desviar una cantidad controlada de energía de dicho impulso hacia el exterior de la cavidad entre la celda colimada SBS y la celda enfocada SBS para controlar dicho umbral.

22. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha conjugación de fase SBS incluye la introducción de un medio SBS en dicha cavidad, comprendiendo dicho medio SBS un compuesto que presenta un índice de refracción no lineal negativo con un valor absoluto inferior a aproximadamente 1x10-12 esu.

23. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha conjugación de fase SBS incluye la introducción de un medio SBS en dicha cavidad, comprendiendo dicho medio SBS un compuesto de perfluoro.

24. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha conjugación de fase SBS incluye la introducción de un medio SBS en dicha cavidad, comprendiendo dicho medio SBS un compuesto de perfluoro que presenta un índice de refracción no lineal negativo de aproximadamente -4,7x10-13 esu, un umbral de aproximadamente 2,5 mJ en un anchura del impulso de aproximadamente 18 nanosegundos, y una ganancia no lineal de aproximadamente 6,2 GW/cm.

25. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha conjugación de fase SBS incluye la introducción de un medio SBS en dicha cavidad, e incluyendo filtrar dicho medio SBS in situ para eliminar partículas que presenten un tamaño superior a aproximadamente 0,1 micrones.

26. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha inversión de fase incluye disponer un sistema de espejo SBS que comprende una celda colimada SBS (212) y una celda enfocada SBS (213) en la cavidad; y

alinear la cavidad óptica mediante una alineación de referencia entre la celda colimada SBS y la celda enfocada SBS.