Sistema de espejo de dispersión de Brillouin estimulada, sistema láser y procedimiento de amplificación.

Un sistema de espejo de fase conjugada de dispersión de Brillouin estimulada SBS,

para reflejar un haz, quecomprende:

un telescopio de retransmisión (200) que presenta un punto focal de telescopio, que retransmite una imagen del hazen una línea de haz entre un primer lugar de imagen en la línea de haz y un segundo lugar de imagen,una primera celda SBS (212) en la línea de haz adyacente al telescopio de retransmisión, estando el segundo lugarde imagen cerca de la entrada de la primera celda SBS, y

una segunda celda SBS (213), enfocada, en la línea de haz, que tiene un punto focal SBS en el interior de dichasegunda celda SBS, enfocada;

caracterizado porque al menos una de la primera celda SBS y la segunda celda SBS, enfocada, tiene un medio SBSque comprende un compuesto que tiene un índice de refracción negativo, no lineal, con valor absoluto de menos deaproximadamente 1x10-12 esu; y

un reflector (203) situado en el punto focal de telescopio, comprendiendo dicho reflector una abertura y configuradopara permitir la extensión angular del haz a pasar a la vez que bloquea las componentes angulares asociadas conhaces fantasma parásitos.

Sistema de espejo de dispersión de Brillouin estimulada, sistema láser y procedimiento de amplificación

Información contractual gubernamental

El gobierno de EE.UU. tiene derechos sobre esta invención de acuerdo con el contrato nº W-7405-ENG-48 entre el Departamento de Energía de EE.UU. y la Universidad de California para el funcionamiento del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

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 realizaciones de la presente invención se refieren a procedimientos en los que se utilizan sistemas láser de alta potencia y sistemas de espejo para láseres de alta potencia basados en la conjugación de fase de dispersión de Brillouin estimulada SBS, para utilizar dicho tipo de láseres en configuraciones de oscilador maestro/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 técnica relacionada El uso de choques mecánicos para conformar metales y para mejorar las propiedades de su superficie se ha 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 45 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 5.239.408 que acaba de mencionarse comprende un amplificador de alta potencia en configuración MOPA (oscilador maestro/amplificador de potencia) , que puede producir impulsos a la salida de un valor superior a 20 julios 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 55 de Brillouin estimulada SBS. La patente US nº 5.239.408 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 maestro. 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

5.239.408. En algunas aplicaciones, el oscilador maestro utilizado en el sistema de la patente US 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 maestro 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 alta potencia 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 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 alta 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... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de espejo de fase conjugada de dispersión de Brillouin estimulada SBS, para reflejar un haz, que comprende:

un telescopio de retransmisión (200) que presenta un punto focal de telescopio, que retransmite una imagen del haz en una línea de haz entre un primer lugar de imagen en la línea de haz y un segundo lugar de imagen,

una primera celda SBS (212) en la línea de haz adyacente al telescopio de retransmisión, estando el segundo lugar de imagen cerca de la entrada de la primera celda SBS, y

una segunda celda SBS (213) , enfocada, en la línea de haz, que tiene un punto focal SBS en el interior de dicha segunda celda SBS, enfocada;

caracterizado porque al menos una de la primera celda SBS y la segunda celda SBS, enfocada, tiene un medio SBS que comprende un compuesto que tiene un índice de refracción negativo, no lineal, con valor absoluto de menos de aproximadamente 1x10-12 esu; y

un reflector (203) situado en el punto focal de telescopio, comprendiendo dicho reflector una abertura y configurado para permitir la extensión angular del haz a pasar a la vez que bloquea las componentes angulares asociadas con haces fantasma parásitos.

2. El sistema de la reivindicación 1, que incluye una bomba y un filtro acoplados a dicha al menos una de las celdas SBS primera y segunda, para la filtración in situ del compuesto. 25

3. El sistema de la reivindicación 1, que incluye una bomba y un filtro acoplados a dicha al menos una de las celdas SBS primera y segunda, para la filtración in situ del compuesto, y en el que el filtro tiene un tamaño de poro de aproximadamente 0, 1 micrones o menos.

4. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho compuesto comprende un compuesto de perfluoro.

5. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho compuesto comprende un compuesto de perfluoro que tiene un índice de refracción no lineal de aproximadamente -4, 7x10-13 esu, un umbral de

aproximadamente 2, 5 mJ con una anchura de impulso de aproximadamente 18 nanosegundos, y una ganancia no lineal de aproximadamente 6, 2 GW/cm.

6. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha primera celda SBS (212) está adaptada para un haz que está colimado o casi colimado dentro del medio SBS.

7. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que incluye:

un divisor de haces (207) entre la primera celda SBS (212) y el telescopio de retransmisión (200) , que dirige una fracción del haz a una trayectoria alternativa de haz que tiene un punto focal de trayectoria alternativa; y 45 un detector de alineación (208) en el punto focal de trayectoria alternativa.

8. Un sistema láser que comprende:

un medio de ganancia 150, produciendo el medio de ganancia energías de impulso superiores a 2 julios por impulso en una línea de haz;

un sistema de espejo de dispersión de Brillouin estimulada SBS (160) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en la línea de haz que tiene una entrada y dispuesta para reflejar un impulso incidente de 55 vuelta a través del medio de ganancia; y

dicho telescopio de retransmisión (200) está configurado para retransmitir imágenes de una salida del medio de ganancia entre dicho primer lugar de imagen y dicho segundo lugar de imagen.

9. Un procedimiento para amplificar un impulso láser, que comprende: acoplar un impulso inyectado con una fuente láser dentro de una trayectoria óptica con forma de anillo que incluye

un medio de amplificación; 65 invertir la fase del impulso mediante conjugación de fase de SBS después de uno o más tránsitos a través del anillo en el cual el impulso atraviesa el medio de amplificación usando un sistema de espejo de conjugación de fase SBS como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7; y

acoplar un impulso de salida afuera del anillo después de que el impulso atraviese el medio de amplificación en un número igual de tránsitos a través del anillo en una dirección opuesta.