CN103336368A - 一种环形激光束的能量调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环形激光束的能量调控装置，该装置利用分光镜将入射圆形激光束分解成为两束激光束，其中一束激光通过旋光片使其偏振方向旋转90度，两束激光束分别依次通过顶角大小相等的内锥面透镜和外锥面透镜，产生两个环形激光束，两个环形激光束经过偏振片形成一个同光轴且相互叠加的耦合环形激光束。在该装置中通过全反射镜调节两个环形激光束到达偏振片的光程，使两个环形激光束到达偏振片的光程相等或不等。当光程相等时，可通过内锥面透镜和外锥面透镜之间距离的变化调节耦合环形激光束的能量分布；当光程不相等时，可通过光程差的变化调节耦合环形激光束的脉冲宽度。
Description
技术领域
本发明是一种环形激光束的能量调控装置，属于激光技术领域，涉及对环形激光束空间能量分布和脉冲波形调控的装置。
背景技术
激光束的形状和能量分布限定了激光的应用范围，为了满足不同领域激光加工的需求，必须对激光束进行光束整形和能量调控。公开的发明专利“一种孔结构的激光冲击处理方法”(ZL200710143348.6)，该发明采用圆形的纳秒级激光束同心辐照在紧固孔表面，圆形激光束与紧固孔同心，利用强脉冲激光与材料表面相互作用产生冲击波效应，使紧固孔周围产生塑性变形并引入残余压应力，从而达到提高紧固孔疲劳寿命的目的。由于圆形激光束与紧固孔同心分布，作用在紧固孔之上的激光能量不参与紧固孔强化，导致激光能量利用率较低，极易烧蚀紧固孔内壁表面。若圆形激光束的能量呈高斯分布，激光能量利用率就更低。采用多个圆形光斑沿紧固孔周围排列的激光冲击强化方法，可避免上述方法的激光能量利用率低和紧固孔内壁烧蚀。但该方法的缺点是强化效率低，且多个光斑搭接处易造成强化表层烧蚀。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种环形激光束的能量调控装置，其目的是提供一种环形激光束的能量调控装置，该装置具有圆形激光束向环形激光束的转换、环形激光束内外径可调、环形激光束空间能量分布可调、激光束的脉冲宽度可调等特点。
本发明技术方案的特点是将现有激光冲击处理方法中的圆形光斑替换为环形光斑，既不影响强化效率，又可提高了激光能量利用率和避免零件烧蚀现象。通过对环形光斑的内外径和能量分布进行控制，即可优化紧固孔周围的残余应力场，又可以进一步提高紧固孔的疲劳寿命。另外，通过对环形光斑的激光脉冲宽度的调节，可改变激光与材料的作用时间，进而调控残余压应力层深度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种环形激光束的能量调控装置，其特征在于：该装置利用分光镜(1)将入射圆形激光束(11)分解成为两束激光束，其中一束激光通过旋光片(2)使其偏振方向旋转90度，两束激光束分别依次通过顶角大小相等的内锥面透镜(3)和外锥面透镜(4)，产生两个环形激光束(7)，两个环形激光束(7)经过偏振片(6)形成一个同光轴且相互叠加的耦合环形激光束(8)。在该装置中通过全反射镜(5)调节两个环形激光束(7)到达偏振片(6)的光程，使两个环形激光束(7)到达偏振片(6)的光程相等或不等，两个环形激光束(7)到达偏振片(6)的光程差应小于激光在半个脉冲宽度时间内传播的距离。
内锥面透镜(3)和外锥面透镜(4)的顶角0.1～1弧度，内锥面透镜(3)和外锥面透镜(4)之间的间距为5～500mm。
分光镜(1)的反射率20%～50%。
分光镜(1)为一个平面镀45度反射膜（部分反射）、另一个平面镀增透膜的圆柱形光学镜片；旋光片(2)为两个平面分别镀增透膜的圆柱形石英晶体镜片，其特性是可以使激光的偏振方向旋转90度角；内圆锥透镜(3)为一面是内凹的圆锥面、另一面是平面的圆形镜片，圆锥面的对称轴与平面相互垂直，外圆锥透镜(4)为一面是外凸的圆锥面、另一面为平面的圆形镜片，圆锥面的对称轴与平面相互垂直，圆锥顶角与前述内圆锥透镜的圆锥面相等，全反射镜(5)为工作平面镀45度全反射膜的圆柱形光学镜片，偏振片(6)为两个平面镀45度增透膜的圆柱形偏振片。
本发明技术方案的优点是可以通过圆形激光束空间分离后再耦合的方式，实现环形光束的空间能量分布调节和环形光束脉冲波形的快速调节，操作简单，便于推广使用。
附图说明
图1为本发明中光程相等的两个环形激光束的能量调控的结构示意图
图2为两个环形激光束耦合为一个环形激光束的示意图
图3为本发明中光程不等的两个环形激光束脉冲宽度调控的结构示意图
图4为本发明中环形激光束脉冲宽度增大过程的示意图
具体实施方式
实施例1：
如图3所示，直径为D0的入射圆形激光束11与分光镜1的光轴夹角为45°，入射圆形激光束11被分解为相互垂直的反射光束和透射光束，反射光束与入射光束的能量比为η。
透射光束依次经过同对称光轴放置的旋光片2、内锥面透镜3和外锥面透镜4，内锥面透镜3和外锥面透镜4的锥面角度相同。透射光束经过旋光片2后，其偏振方向旋转90°，经过内锥面透镜3和外锥面透镜4后形成环形激光束7，环形激光束7依次经过与激光光轴成45°放置的全反射镜5和偏振片6，发生两次全反射。
反射光束经过全反射镜5发生全反射，然后依次经过同对称光轴放置的内锥面透镜3和外锥面透镜4，内锥面透镜3和外锥面透镜4的锥面角度相同。经过内锥面透镜3和外锥面透镜4后形成环形激光束7，环形激光束7完全透过与激光光轴成45°放置的偏振片6。
参见附图2所示，由透射光束形成的环形激光束7经偏振片6全反射后的外径和内径分别为D1和D1-D0，由反射光束形成的环形激光束7经偏振片6全透射后的外径和内径分别为D2和D2-D0（D2＞D1）。两个环形激光束7经过偏振片6形成一个同光轴且相互叠加的耦合环形激光束8，耦合环形激光束8的外径和内径分别为D2和D1-D0。耦合环形激光束8的外径和内径由两个环形激光束7的尺寸确定。
内锥面透镜3和外锥面透镜4之间的距离越大，环形激光束7的尺寸就越大，反之亦然。因此，调节内锥面透镜3和外锥面透镜4之间的距离，即可调节耦合环形激光束8的外径、内径和重叠区域大小。由于两个环形激光束7相互搭接重叠，因此耦合环形激光束8重叠区域的激光强度高于没有重叠的区域。此外，还可以通过更换分光镜1，通过调节反射光束与入射光束的能量比η，来控制两个环形激光束7的激光能量比。
实施例2：
如图1所示，脉冲宽度为10ns的入射圆形激光束11与分光镜1的光轴夹角为45°，分光镜1的反射率为50%，入射圆形激光束11被分解为相互垂直的反射光束和透射光束。
透射光束依次经过同对称光轴放置的旋光片2、内锥面透镜3和外锥面透镜4，内锥面透镜3和外锥面透镜4的锥面角度相同。透射光束经过旋光片2后，其偏振方向旋转90°，经过内锥面透镜3和外锥面透镜4后形成环形激光束7，环形激光束7完全透过与激光光轴成45°放置的偏振片6。
反射光束经过全反射镜5发生全反射，然后依次经过同对称光轴放置的内锥面透镜3和外锥面透镜4，内锥面透镜3和外锥面透镜4的锥面角度相同。经过内锥面透镜3和外锥面透镜4后形成环形激光束7，环形激光束7依次经过与激光光轴成45°放置的全反射镜5和偏振片6，发生两次全反射。
两个环形激光束7尺寸相同，经偏振片6全反射和全透射后，两个环形激光束7完全重合，形成耦合环形激光束8。反射光束从分光镜1传播到全反射镜5的距离为0.6m，环形激光束7从偏振片6传播到全反射镜5的距离也为0.6m。这样，反射光束产生的环形激光束7与透射光束产生环形激光束7的光程差为1.2m。如图4所示，入射圆形激光束11的脉冲宽度为10ns，两个环形激光束7先后到达偏振片6，时间差为4ns。环形激光束8的脉冲宽度约为14ns。
与现有技术相比，采用环形光斑进行紧固孔激光冲击强化时，将耦合环形激光束8聚焦在紧固孔周围表面，通过调节耦合环形激光束8的外径、内径和重叠区域大小，可以控制紧固孔周围残余应力场和孔角变形。
Claims (4)
1.一种环形激光束的能量调控装置，其特征在于：该装置利用分光镜(1)将入射圆形激光束(11)分解成为两束激光束，其中一束激光通过旋光片(2)使其偏振方向旋转90度，两束激光束分别依次通过顶角大小相等的内锥面透镜(3)和外锥面透镜(4)，产生两个环形激光束(7)，两个环形激光束(7)经过偏振片(6)形成一个同光轴且相互叠加的耦合环形激光束(8)。
2.根据权利要求1所述的环形激光束的能量调控装置，其特征在于：在该装置中通过全反射镜(5)调节两个环形激光束(7)到达偏振片(6)的光程，使两个环形激光束(7)到达偏振片(6)的光程相等或不等，两个环形激光束(7)到达偏振片(6)的光程差应小于激光在半个脉冲宽度时间内传播的距离。
3.根据权利要求1所述的环形激光束的能量调控装置，其特征在于：内锥面透镜(3)和外锥面透镜(4)的顶角0.1～1弧度，内锥面透镜(3)和外锥面透镜(4)之间的间距为5～500mm。
4.根据权利要求1所述的环形激光束的能量调控装置，其特征在于：分光镜(1)的反射率20%～50%。
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