Telescopio retransmisor (120) para sistemas de láser de alta potencia,

que comprende: una primera lente retransmisora (124, 301); una segunda lente retransmisora (128, 303); una cámara de vacío (122, 300) entre la primera y la segunda lentes retransmisoras, enfocando la primera y la segunda lentes retransmisoras haces en un foco común (321) dentro de la cámara de vacío; una montura cinemática (308) dentro de la cámara de vacío, adaptada para fijar los deflectores de haces en la proximidad de foco común (321) y un deflector (309) montado en dicha montura cinemática, comprendiendo dicho deflector un elemento macizo que presenta un canal ópticamente transparente dispuesto para bloquear los haces fuera de ángulo (602) mientras que pasan los haces deseados (600, 601), presentando el canal ópticamente transparente unas aberturas en extremos opuestos del elemento macizo, y una cintura dentro del elemento macizo en la proximidad de dicho foco del telescopio, siendo menor dicha cintura que dichas aberturas, y presentando dicho canal unos lados que se estrechan progresivamente en la proximidad de dicha cintura con un ángulo rasante en un intervalo de aproximadamente 1 a 10 grados; y un orificio de acceso (307) en la cámara de vacío, adaptado para la inserción y la extracción de deflectores de haces

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un telescopio retransmisor, a un amplificador de láser, y a un método de granallado con láser que utiliza los mismos.

Descripción de la técnica relacionada

La utilización de impactos mecánicos para conformar metales y mejorar las propiedades de sus superficies se ha realizado durante mucho tiempo. En la práctica industrial actual, se logra un tratamiento de granallado de superficies metálicas 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 Microstructural and Mechanical Property Changes in 7075 Aluminium”, Journal of Applied Physics, Vol. 43, n.º 9, pág. 3.893, septiembre de 1972. Típicamente, por medio de láseres de alta densidad de energía (aproximadamente 200 j/cm2), y 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 cinta metálica, 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 refuerzo 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 US anterior 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 superiores a 20 julios por impulso, estando el ancho del impulso comprendido entre 20 y 30 nanosegundos o menor usando una configuración correctora del frente de onda que se basa en un sistema de espejo/conjugador de fase por dispersión de Brillouin estimulada SBS. 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 la patente 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 la patente US nº 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. Se describe otra configuración de oscilador maestro en nuestra solicitud de patente US nº 10/696.989 en trámite, presentada el 30 de octubre de 2003, titulada SELF-SEEDED SINGLE-FREQUENCY SOLIDSTATE RING LASER, AND SINGLE-FREQUENCY LASER PEENING METHOD AND SYSTEM USING SAME, que se basa en la solicitud provisional US nº 60/471.490 presentada el 16 de mayo de 2003, titulada SELF-SEEDED SINGLE-FREQUENCY SOLID-STATE RING LASER, AND SINGLE-FREQUENCY LASER PEENING METHOD AND SYSTEM USING SAME.

Un sistema de láser de alta potencia tal como el definido en la patente US nº 5.239.408, y en la patente US nº

5.689.363 “LONG-PULSE-WIDTH NARROW-BANDWIDTH SOLID STATE LASER”, utiliza un telescopio retransmisor para retransmitir imágenes del haz desde el extremo de inyección del sistema hacia el extremo del amplificador y vuelta atrás. Durante el proceso de amplificación, el haz pasa a través del telescopio retransmisor, pasa a través de un amplificador, pasa de nuevo a través del telescopio retransmisor y, a continuación, se encamina a través de una rotación de polarización seguida por la reflexión o transmisión saliente de un elemento polarizador. Durante el proceso de división de la polarización, el haz no se separa completamente debido a una rotación de la polarización menor que el 100% y debido a una separación (contraste) por parte del polarizador inferior a 100%. La parte no separada del haz continúa pasando a través del telescopio retransmisor y se vuelve a amplificar, obteniendo, frecuentemente, suficiente energía de manera que se puede convertir en un problema por daños en algún otro lugar del sistema óptico. Las reflexiones parásitas o “fantasma” también pueden ser amplificadas y es necesario separarlas del haz principal. Es necesario algún tipo de configuración de piezas metálicas para permitir una alineación del sistema, y, a continuación, una amplificación y propagación de los haces deseados de alta potencia mientras se eliminan los haces no deseados.

Se ha demostrado la importancia de colocar una imagen de retransmisión, de la apertura distorsionada del amplificador, en la entrada al espejo de conjugación de fase por SBS. Esto evita la propagación óptica libre del haz distorsionado, lo cual puede provocar aberraciones de fase que son introducidas por el amplificador para ser convertidas en no uniformidades en el perfil espacial (distribución de irradiancia) del haz. Esto es un punto crítico ya que un conjugador de fase por SBS invierte de manera muy eficaz el frente de ondas óptico del haz de entrada pero frecuentemente no reproduce el perfil de irradiancia con una alta fidelidad. Por lo tanto, los errores de frentes de onda que se convierten en errores de distribución de la irradiancia no se pueden corregir adecuadamente. En el sistema con formación de imágenes por retransmisión, los errores del frente de ondas se transportan de manera precisa al conjugador de fase por SBS. Las no uniformidades introducidas por la reproducción imperfecta de la irradiancia en el espejo no lineal se minimizan entonces en las pasadas del amplificador final debido a la saturación de ganancia en el(los) amplificador(es).

No obstante, el sistema amplificador de múltiples pasadas puede generar haces (fantasma) débiles no deseables que son el resultado de pequeños defectos en el control de polarización usado para la conmutación del trayecto del haz. El tren óptico del amplificador se diseña de manera que estos haces fantasma débiles se emitan con ángulos ligeramente diferentes con respecto al haz principal, de modo que teóricamente no deberían interferir con la conjugación de fase por SBS del haz principal mucho más potente. No obstante, cuando el espejo de SBS se hace funcionar a energías muy elevadas, claramente por encima de su umbral, estos haces débiles pueden entrar en la célula y, aun cuando por sí solos se situarían por debajo del umbral, pueden ser reflejados eficazmente por el espejo de SBS en una interacción no lineal de mezcla de cuatro ondas con los haces de salida y de entrada principal. A continuación, dichos haces pueden provocar daños en componentes ópticos del sistema a medida que se propagan dentro del amplificador.

Un láser MOPA con conjugación de fase por SBS presenta unas características de alineación muy robustas ya que la aberración de menor orden que es corregida por el espejo de conjugación de fase es la inclinación. Esto significa que el sistema de láser puede ser muy tolerante a derivas pequeñas en la alineación precisa de componentes ópticos sin provocar una pérdida en la potencia de salida o provocando un reapuntamiento de la salida del láser. No obstante, la entrega del láser, que se propaga en la dirección de avance, al espejo de SBS, debe seguir realizándose con cierto grado de precisión. Los sistemas de la técnica anterior han requerido... [Seguir leyendo]

1. Telescopio retransmisor (120) para sistemas de láser de alta potencia, que comprende:

una primera lente retransmisora (124, 301);

una segunda lente retransmisora (128, 303);

una cámara de vacío (122, 300) entre la primera y la segunda lentes retransmisoras, enfocando la primera y la segunda lentes retransmisoras haces en un foco común (321) dentro de la cámara de vacío;

una montura cinemática (308) dentro de la cámara de vacío, adaptada para fijar los deflectores de haces en la proximidad de foco común (321) y un deflector (309) montado en dicha montura cinemática, comprendiendo dicho deflector un elemento macizo que presenta un canal ópticamente transparente dispuesto para bloquear los haces fuera de ángulo (602) mientras que pasan los haces deseados (600, 601), presentando el canal ópticamente transparente unas aberturas en extremos opuestos del elemento macizo, y una cintura dentro del elemento macizo en la proximidad de dicho foco del telescopio, siendo menor dicha cintura que dichas aberturas, y presentando dicho canal unos lados que se estrechan progresivamente en la proximidad de dicha cintura con un ángulo rasante en un intervalo de aproximadamente 1 a 10 grados; y

un orificio de acceso (307) en la cámara de vacío, adaptado para la inserción y la extracción de deflectores de haces.

2. Telescopio según la reivindicación 1, en el que dicho elemento macizo presenta un hueco en dicho elemento que define el canal ópticamente transparente.

3. Telescopio según la reivindicación 1, que incluye un deflector de alineación de campo lejano adaptado para montarse en dicha montura cinemática, comprendiendo dicho deflector de alineación una abertura de microorificio.

4. Telescopio según la reivindicación 1, que incluye un deflector de campo cercano montado adyacente a una de dichas primera y segunda lentes retransmisoras.

5. Telescopio según la reivindicación 1, que incluye un primer deflector de campo cercano montado adyacente a dicha primera lente retransmisora, y un segundo deflector de campo cercano montado adyacente a dicha segunda lente retransmisora para bloquear haces parásitos.

6. Amplificador de láser, que comprende:

un medio activo (150);

un rotador de polarización (140);

un polarizador pasivo (106);

una pluralidad de reflectores (111 a 117) configurados para definir un trayecto óptico a través del medio activo, el polarizador pasivo, y el rotador de polarización; y

un conjugador de fase (160) configurado para recibir un haz del trayecto óptico después de que el impulso haya ejecutado una o más circulaciones a través del trayecto óptico, estando configurado además el conjugador de fase para devolver el haz con fase invertida al trayecto óptico para ejecutar un número igual de circulaciones del trayecto óptico en una dirección opuesta antes de salir del trayecto óptico; y

un telescopio retransmisor (120) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, entre el medio activo y el polarizador pasivo, que se utiliza para retransmitir imágenes entre el medio activo y una ubicación en el trayecto óptico en la proximidad del polarizador pasivo.

7. Sistema según la reivindicación 6, en el que dicha cavidad óptica se alinea con la deriva (walk off) de manera que los haces parásitos que circulan por la cavidad óptica más veces que las especificadas son bloqueados por dicho deflector.

8. Sistema según la reivindicación 6, en el que dicha ubicación en el trayecto óptico es adyacente al rotador de polarización y al polarizador pasivo.

9. Sistema según la reivindicación 6, que incluye un segundo telescopio retransmisor (170) en el trayecto óptico para retransmitir las imágenes entre dicha ubicación y el conjugador de fase.

10. Sistema según la reivindicación 6, que incluye un segundo telescopio retransmisor (170) en el trayecto óptico para retransmitir las imágenes entre dicha ubicación y el conjugador de fase, presentando el segundo telescopio retransmisor un deflector que bloquea los haces fuera de ángulo.

11. Método para el granallado por impactos láser de una pieza de trabajo diana, que comprende:

acoplar un impulso germinal a un trayecto óptico en forma de anillo (111-117) que incluye un medio de amplificación (150);

retransmitir en primer lugar una imagen de una salida del medio de amplificación hacia un sistema de conjugación de fase por SBS (160);

invertir la fase del impulso en el sistema de conjugación de fase por SBS después de una o más circulaciones a través del anillo en las que el impulso atraviesa el medio de amplificación;

retransmitir en segundo lugar una imagen de la salida del medio de amplificación entre un acoplador de salida, después de que el impulso atraviese el medio de amplificación un número igual de circulaciones a través del anillo en una dirección opuesta para proporcionar un impulso de salida con frente de onda corregido;

acoplar el impulso de salida con frente de onda corregido que comprende la imagen de la salida del medio de amplificación fuera del anillo en el acoplador de salida, y

controlar una anchura de impulso del impulso de salida con frente de onda corregido mediante el control de un umbral de dicho sistema de conjugación de fase por SBS; y

suministrar a la pieza de trabajo diana el impulso de salida con el frente de onda corregido,

en el que dichas primera y segunda retransmisiones incluyen la utilización de uno o más telescopios retransmisores intracavidad (120) según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.

12. Método según la reivindicación 11, que incluye alinear por lo menos uno de dichos uno o más telescopios retransmisores insertando en primer lugar un deflector de microorificio en el foco del telescopio, y alineando el telescopio retransmisor, y sustituyendo a continuación el deflector de microorificio por dicho deflector que se estrecha progresivamente.