CN107249809B - 激光冲击喷丸处理中使用的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种装置可包括配置成输出脉动激光光束的二极管泵浦固态激光振荡器、配置成修改脉动激光光束的能量和时间分布的调制器和配置成放大脉冲激光光束的能量的放大器。用于对目标部件进行激光喷丸的经修改放大后的光束可具有大约5J至大约10J的能量、大约25W至大约200W的平均功率(定义为能量(J)×频率(Hz))，其中平顶光束均匀度小于大约0.2。二极管泵浦固态振荡器可配置成输出具有单纵模和单横模二者的光束，以大约20Hz的频率生成并输出光束。

Description

激光冲击喷丸处理中使用的方法和设备
技术领域
本申请涉及激光冲击喷丸。
背景技术
激光冲击喷丸(LSP)处理，作为传统喷丸的替代或补充处理，是用于制作深(例如，大于1mm)压缩残余应力层并且通过用足以造成塑料变形的力冲击材料来改造材料机械特性的冷加工处理。LSP处理所产生的残余应力增加了材料抗疲劳和应力的能力，由此显著延长了激光喷丸部件的寿命。LSP使用高能量激光脉冲来生成等离子体羽流并且致使部件表面上的压力快速升高。该压力形成并且维持传播到部件表面中的高强度冲击波。LSP所生成的冲击波引起对部件材料微结构中的冷加工并且有助于提高部件的性能。
随着冲击波行进到该部件中，在部件材料塑料变形期间，波中的一些能量被吸收。这也被称为冷加工。LSP通常使用大约8纳秒(ns)至大约40ns的激光脉冲宽度。LSP中的激光束的典型光斑直径是大约1.0mm至大约8.0mm。积分通量是每单位面积所发出的能量的量度。在LSP应用中，积分通量通常超过100J/cm2。功率密度必须大于材料的Hugoniot弹性极限(HEL)，从而引起塑性变形和相关的压缩残余应力。虽然一些材料的HEL低达大约3GW/cm2，但用于激光喷丸的典型功率密度通常在6GW/cm2至12GW/cm2的范围内。
可使用闪光灯泵浦增益介质的激光器来产生具有足够用于LSP应用的能量的激光脉冲。闪光灯可产生波长范围覆盖电磁波谱的可见光部分和红外部分二者的宽带宽的泵浦光。增益介质不容易使用闪光灯所产生的光中的大部分，没有被增益介质有效吸收的光会产生过量的热。过量的热限制了激光的重复速率和功率输出，并且需要用另外的冷却系统来保持激光器的运行温度。在不用大量物流来移动必要组件的情况下，运输用于保持激光运转的闪光灯泵浦激光器和支持系统可能并不容易。
闪光灯泵浦激光器在电学上是无效的，这样会导致光束畸变。闪光灯泵浦激光器还会需要更高的运行电压和电流，从而会将它们的运转限于进行高电压和高电流行业服务的位置。闪光灯的运行寿命会限于几百万个脉冲，从而必定会增加保持闪光灯泵浦激光提供服务的维修和成本。
发明内容
一种装置可包括二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器，该振荡器配置成输出具有第一能量和第一时间分布的脉动激光光束。该装置还可包括调制器和放大器。调制器配置成从所述DPSSL振荡器接收所述脉动激光光束，将所述脉动激光光束从所述第一能量修改成第二能量，将所述第一时间分布修改成第二时间分布，并且输出具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束。放大器可具有多级。例如，第一级可配置成接收具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束，将所述光束从所述第二能量放大成第三能量，将所述光束从所述第二时间分布修改成第三时间分布，以及输出具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束。第二级可配置成接收具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束，将所述光束从所述第三能量放大成第四能量，将所述光束从所述第三时间分布修改成第四时间分布，以及输出具有所述第四能量和所述第四时间分布的光束。
所述装置还可包括DPSSL振荡器，所述DPSSL振荡器具有光学腔体并且配置成生成并输出脉动激光光束；以及种子注入器，其配置成将种子激光输出到所述光学腔体中，以生成并输出单纵模的脉动激光光束。
一种用于对目标部件进行激光冲击喷丸的方法可包括：输出具有第一能量、第一光束直径和第一时间分布的脉动激光光束。所述方法还可包括将具有所述第一能量和所述第一时间分布的光束修改成第二能量和第二时间分布。所述方法还可包括将具有所述第二能量的光束放大成第三能量并且将所述光束修改成比所述第一光束直径大的第二光束直径，并且将所述第二时间分布修改成第三时间分布。所述方法可包括将具有所述第三能量、所述第二光束直径和所述第三时间分布的光束输出到所述目标部件，以便对所述目标部件进行激光冲击喷丸。
附图说明
图1是用于激光冲击喷丸处理中的示例装置的示意图。
图2是示例二极管泵浦固态激光振荡器的示意图。
图3是DPSSL振荡器的示例输出的曲线图。
图4是DPSSL振荡器的示例输出的曲线图。
图5是种子注入器重置操作的流程图。
图6是对激光光束的示例时间修正的曲线图。
图7是示例滤光器的示意图。
图8是对激光光束的示例空间修正的曲线图。
图9是示例放大器的示意图。
图10是示例激光传递装置和喷丸单元的示意图。
图11是来自LSP装置的示例输出的曲线图。
图12是来自LSP装置的示例输出的曲线图。
图13是来自LSP装置的示例输出的曲线图。
图14是来自LSP装置的示例输出的曲线图。
图15是来自LSP装置的示例输出的曲线图。
图16是使用对目标部件进行激光喷丸的装置的示例方法的流程图。
图17是示例放大器级的示意图。
图18是示例放大器级的示意图。
图19是示例分束器配置的示意图。
图20是用于调节和校准用于LSP系统中的示例装置的示例方法的流程图。
具体实施方式
参照图1，例示了用于激光冲击喷丸的示例装置100。装置100进行操作，以产生激光光束并且将其向目标部件101输出，以对目标部件101进行激光冲击喷丸(LSP)。
装置100可包括DPSSL振荡器102、调制器104和放大器106。DPSSL振荡器102配置成产生脉动激光束108并且将其向调制器104输出，从而可修改脉动激光束108并且将修改后的光束110输出到放大器106。装置100还可包括滤光器112、光学隔离器114和波片116。滤光器112还可修改来自调制器104的光束110并且将经修改后的光束118向着放大器106输出。
装置100还可包括光学隔离器120、光束传递装置122和激光喷丸单元124。光学隔离器120可将来自放大器106的经修改和放大后的光束126传递到光束传递装置122，光束传递装置122可将经修改和放大后的光束126传递到包含目标部件101的激光喷丸单元124，或者可将经修改和放大后的光束126传递到目标部件101。
参照图2，例示了DPSSL振荡器102的示意图。DPSSL振荡器102可包括光学腔体228、光学腔体228内的增益介质230和激光二极管阵列232，激光二极管阵列232用于用光和能量233泵浦增益介质230，以产生脉动激光光束108。振荡器102还可包括种子注入器234，种子注入器234配置成将种子激光光束236输出到光学腔体228中，以有助于稳定脉动激光光束108，以及可变光阑/限制孔238。
增益介质230可以是2mm直径(Nd:YLF)激光棒，并且可以是能够通过一个或多个激光二极管(即，二极管阵列)232光学泵浦的实心增益介质。增益介质230可以是单晶或玻璃材料，并且可掺杂有三价稀土离子或过渡金属离子。在一个实施例中，用在振荡器102中的激光棒230掺杂有钕(Nd3+)。增益介质230可以是掺杂有钕的原本被称为“YAG”(Nd:YAG)的合成钇铝柘榴石晶体(Y3Al5O12)。在另一个实施例中，增益介质230是掺杂有钕的合成氟化钇锂(YLiF4)晶体或YLF(Nd:YLF)。(Nd:YLF)激光棒230产生的激光光束108可具有1053nm的波长。YLF晶体可产生具有更好光束质量的激光光束，具有更长的寿命，并且允许提取更长光束脉宽，从而可允许将设备100设计得较小。可使用诸如Czochralski处理的已知处理来生长YAG晶体和YLF晶体二者。晶体可生长成各种几何形状和构造，以变化诸如增益和能量存储的增益介质的要素。
激光二极管阵列232可以用光能量233来泵浦增益介质230，以通过增益介质230进行放大。在一个实施例中，激光二极管阵列232包括泵浦增益介质230来产生10mJ的激光输出108的9个二极管条的阵列。举例来说，激光二极管阵列232可具有大约6000W的QCW(准持续波)功率输出，并且在电-光效率是大约57％时以大约15A的电流运行。举例来说，激光二极管阵列232可具有大约60V的运行电压。在一个实施例中，二极管阵列232发射波长为大约805.5±2nm的电磁辐射。在另一个实施例中，二极管阵列232发送波长为大约750nm至大约900nm之间的电磁辐射。可使用通用控制器(UCC)242来控制激光二极管232泵浦增益介质230。具体地，UCC 242可控制激光二极管232的定时，使得当光束108穿过增益介质230时，激光二极管232只泵浦增益介质230，以优化光束108的增益和放大倍数。
振荡器102还可包括配置成产生脉动激光光束108的调制器240(即，Q开关)。在一个实施例中，使用Q开关240来产生脉宽在纳秒范围内的激光光束108。用于装置100的UCC242可向Q开关240馈送触发信号243，以控制激光光束108的产生和频率。在一个实施例中，使用大约20Hz的重复速率针对LSP应用来产生脉冲。在另一个实施例中，使用大约25Hz至大约30Hz之间的重复速率来产生脉冲。在另一个实施例中，使用大约50Hz或更高的重复速率来产生脉冲。可变化并且由用户来选择重复速率，使得可使用比20Hz基础速率慢的重复速率。例如，料想到20Hz、19Hz、18Hz、17Hz、16Hz、15Hz、14Hz、13Hz、12Hz、11Hz、10Hz、9Hz、8Hz、7Hz、6Hz、5Hz、4Hz、3Hz、2Hz和1Hz的重复速率。对于如本文中描述的振荡器102上的Q开关光学腔体228，料想到例如20Hz、10Hz、6.67Hz、5Hz、4Hz、3.33Hz、2.857Hz、2.5Hz、2.22Hz、2Hz和1Hz的重复速率。通过以下步骤来形成这些示例频率：选择每个脉冲来获得20Hz的频率，选择每第二个脉冲来获得10Hz的频率，选择每第三个脉冲来获得6.67Hz的频率，以此类推。
如图2所示，光学腔体228还可包括第一镜244和第二镜246。镜244和246将增益介质230所发射的相干光在光学腔体228内反射，以随着从振荡器102输出光束108来放大光束108。在第二镜246上安装压电转换器248。
种子注入器234可配置成将种子激光光束236输出到光学腔体228中，以帮助稳定光束108。种子注入器234可以是单纵模(SLM)光纤激光器，该激光器将种子激光光束236注入光学腔体228中，以在光学腔体238内产生单纵模的光束108。
种子注入器234可包括种子控制器252。种子控制器252可与用于控制种子重置功能的装置100的UCC控制器242连接。种子控制器252还可用于控制PZT 248的位置，以便控制第二镜246的位置。反馈线路254将PZT 248连接到种子控制器252。输出线路256将种子控制器252连接到PZT 248。
在使用时，可经由输出线路256从种子控制器252发送种子重置信号和PZT控制信号，以控制PZT 248的位置。PZT 248基于其位置向反馈线路254输出电压，以对应于其当前位置和第二镜246的当前位置二者。种子控制器252可调节第二镜246的位置，以控制光束108在光学腔体228内的相移并且相对于单纵模(SLM)来保持光束108的所需相。换句话讲，种子控制器252可控制PZT 248和第二镜246的位置，以保持光束108处于SLM。
PZT 248具有起始位置。在装置100启动期间以及在从种子控制器252向PZT 248发送种子重置信号之后，出现PZT 248的起始位置。当振荡器102产生并且输出光束108时，PZT持续调节并且背离其起始位置向新位置移动，以保持后续光束108处于SLM。种子控制器252可存储与可产生SLM光束108的PZT 248的位置对应的参考电压。将参考电压与来自PZT 248的电压进行比较，来自PZT 248的电压对应于PZT 248相对于起始位置的当前位置。如果比较值之差落到预定范围之外，则种子控制器252可经由输出线路256发送PZT控制信号，以调节PZT 248和第二镜246的位置。适时地，PZT 248将达到移动极限，在此之后，PZT 248可不再移动，以调节第二镜246的位置。此时，种子控制器252执行“种子重置”，以使PZT 248返回其起始位置。种子控制器252将重置信号经由输出线路256发送到PZT 248，并且在接收到种子重置信号时，PZT 248从其当前位置移向起始位置。
种子控制器252还可用于控制何时执行PZT 248的重置。种子的一个问题可以是可自动出现并且可在全系统激光期间进行PZT 248的重置。种子的手动控制可以修改并且集成到种子控制器252和UCC控制器242中，以预测对种子重置的需要，并且在适于进行种子重置时执行种子重置。
参照图3，例示了示例曲线图300，曲线图300示出作为来自DPSSL振荡器的正常输出的激光光束108的时间分布。可在种子重置操作之间从振动器102输出光束108，而没有对光束108产生实质影响。
参照图4，例示了示例曲线图400，曲线图400示出在种子重置操作期间从振荡器102输出的激光光束108的时间分布。曲线图400例示了因种子重置操作造成的从振荡器102输出的光束108中的模拍频。
参照图5，提供例示种子控制器252提供的示例种子重置方法500的流程图。在(501)中，如图1所示，激光冲击喷丸100中使用的装置处于热身或空闲状态，准备输出用于激光冲击喷丸的激光束。在(501)期间，如图2所示，PZT 248将移动第二镜246，以调节振荡器102内的光束108的相位。在(501)中，如图1所示，将从振荡器102输出光束108，但是可不从装置100输出光束126。
在(503)中，用户或用户的编程命令可指示UCC控制器242(图2)，以从装置100(图1)输出光束126。在(505)中，如果将从装置100输出光束126，则加载针对装置100的处理设置，使得可根据预定参数，例如能量、时间分布、空间分布、直径等，从装置100输出光束126。
基于第二镜246(图2)处的光束108的相位，种子控制器252可在(507)中使用反馈线路250来确定PZT 248的电压，并且将该电压与参考电压进行比较，以确定PZT 248在光学腔体228内的位置。如上所述，PZT 248具有起始位置，也就是说，装置100启动时PZT 248的初始位置。随着PZT 248继续移动以调节第二镜246从而调节振荡器102内的光束108的相位，PZT 248将最终移向它不能进一步移动的位置，并且需要进行重置，以将PZT 248移回起始位置。
如果在(507)中反馈电压低于参考极限，则在(509)中可启动手动种子重置。在手动种子重置期间，从装置100输出的光束126被推延。在(509)中的手动种子重置将PZT 248调节成起始位置。在(511)中，采用1秒的延迟，以等待PZT 248返回其起始位置。
在(511)中的1秒延迟之后，允许PZT 248返回起始位置种子返回自动模式，在自动模式下，PZT 248可移动以便调节第二镜246，从而调节振荡器102内的光束108的相位。在切换至自动模式之后采用5秒延迟，以允许PZT 248将第二镜246调节成产生光束108所需相位的位置。在一个实施例中，自动模式延迟可不到5秒。
从(509)至(515)，从装置100(图1)输出光束126被推延，并且UCC控制器242(图2)可调节装置100中的部件，以防止输出光束126。例如，UCC控制器242可控制限幅器(slicer)104(图1)的切换，以防止光束108输出到装置100中的其他部件，从而防止从装置100上输出光束126。UCC控制器242还可调节放大器106(图1)的定时，以防止从限幅器104泄露的任何激光能量从装置100输出光束126。
在(515)中的延迟之后，在(517)中重新开始处理，以从装置100输出光束126。如果PZT 248的电压超过基于(507)中的反馈参考电压250的极限，则在(517)中继续进行处理，以从装置100输出光束126。
在(517)中处理并输出光束126(图1)之后，UCC控制器242询问在(519)中是否要关闭装置100。如果UCC控制器242确定在(519)中要关闭装置100，则装置100被关闭并且在(521)中结束操作。如果UCC控制器242确定在(519)中不应该关闭装置100，则方法500返回(501)。如果在(503)中UCC 242确定装置100将不输出光束126，则询问UCC 242是否要在(519)中关闭设备100，如上所述。
种子重置方法500可适于重置具有闪光灯泵浦振荡器的激光系统/装置上的种子。
如图2所示，振荡器102还可包括可变光阑/限制孔238。可变光阑238可包括孔开口，使得在从振荡器102输出激光光束108之前，激光光束108穿过该孔开口。可变光阑238上的孔的大小可调节从振荡器102输出的光束108的量。利用使光束108穿过可变光阑238来产生TEM00单横模的光束。
如本文中使用的，“单横模”(STM)意指振荡器102正在单横谐振模，通常是高斯模式下运行，使得激光束108的质量是衍射受限制的，以致光束108可聚焦到非常小的光斑。这里，横谐振模将是电磁横模(TEM)模式，使得在光束传播的方向上既没有磁场又没有电场。“单纵模”(SLM)意指单频率单波长的纵向光束。激光系统中噪声的主要来源可以是泵浦源232的波动、光学腔体228的长度改变或光学腔体228的取向。通过将从振荡器102输出的光束108限制为STM和SLM，可消除光束108中的噪声。因此，振荡器102能够进行操作，以输出STM和SLM二者下的脉动激光光束108。
光束均匀度是光束分布测量，并且表示光束108的中间90％或更多的能量密度相对于其平均值的归一化RMS(均方根)偏差。在RMS计算中不包括在中间90％之外的数据。在一个实施例中，从振荡器102输出的脉动激光光束108的光束均匀度小于大约0.2。
光束质量赋予M2值，并且将光束质量称为光束质量因子。M2值用于对实际光束108和理想光束之间的变异度进行定量。对于单横模，TEM00高斯激光束，M2精确地是1.0。在一个实施例中，振荡器102输出M2值是大约1.2或更小的光束108。在另一个实施例中，振荡器102输出M2值小于大约1.3的光束108。在另一个实施例中，振荡器102输出M2值小于大约1.5的光束108。SLM光束108可具有大约1pm的光谱宽度。修饰语“大体”在本文中多次使用。无论清晰与否，应该参照M2描述，将术语“单横模”和“单纵模”理解为“大体单横模”和“大体单纵模”。本领域的普通技术人员将能够容易理解这种与理想情况的偏差。
除了STM和SLM下的输出光束之外，从振荡器102输出的脉动激光光束108可具有大约10mJ至大约20mJ的第一能量，具有直径高达大约4mm的第一光束直径，具有第一时间分布(例如，高斯形)，并且具有第一空间分布(例如，高斯形)。
参照图1，调制器104可从振荡器102接收脉动激光光束108。调制器104可以是脉冲限幅器，脉冲限幅器用于将脉动激光光束108的前沿和后沿中的任一者或二者锐化，以修改脉动激光光束108的时间分布，并且输出具有第二能量、第一直径、第二时间分布和第一空间分布的经修改后的光束110。
在一个实施例中，脉冲限幅器104是用于变化激光光束108的时间分布的SBS单元。在另一个实施例中，脉冲限幅器104是用于变化激光光束108的时间分布的Pokels(泡克尔斯)单元。
调制器104可包括诸如硼酸钡(BBO)或磷酸二氘钾(KD*P)的晶体材料，脉动激光光束108穿过该晶体材料。在一个实施例中，脉冲限幅器104包括用于对光束108提供更快脉冲限幅的BBO材料。在一个实施例中，脉冲限幅器104修改激光脉冲108的前沿。在另一个实施例中，脉冲限幅器104修改激光脉冲108的前沿和后沿。脉动激光光束108可被限幅并且作为具有小于大约5ns的上升时间的经修改后的光束110输出。在一个实施例中，经修改后的光束110的上升时间小于3ns。在另一个实施例中，经修改后的光束110的上升时间小于大约2ns。在一个实施例中，将光束108的脉冲宽度调节成处于大约5ns至16ns之间，以作为经修改后的光束110输出。在另一个实施例中，将光束108的脉冲宽度调节成处于大约8ns至16ns之间，以作为经修改后的光束110输出。在另一个实施例中，经修改后的光束110的脉宽小于或等于大约5ns。短上升时间提供了产生更好激光冲击喷丸结果的激光光束。
参照图6，例示了示例经修改后的光束110的时间分布600。如上所述，来自振荡器102的脉动激光光束108的时间分布可以为大体高斯外观，如所例示的。因为调制器104将光束108修改成光束110，所以可由调制器104对前沿656进行限幅，以形成激光脉冲的更锐化的前沿658。激光脉冲的更锐化的前沿658可提供经修改后的光束110的更快上升时间。还可由调制器104对激光脉冲的后沿660进行限幅，以变化经修改后的光束110的脉宽662。
参照图1，经修改后的光束110可从调制器104输出，穿过光学隔离器114。在一个实施例中，光学隔离器114是法拉第隔离器，传输前向方向上的经修改后的光束110，而阻挡相反方向上的光，相反方向上的光例如是被装置100中的部件的光学表面或目标部件101反射的激光能量。光学隔离器114可用于保护振荡器102和调制器104，使其免受经修改后的光束110与装置100中的其他部件相互作用的影响，以限制并防止背反射，也就是说，防止并限制被其他部件反射的光向后穿过光学隔离器114并且使振荡器102和调制器104受损。在一个实施例中，法拉第隔离器114配置成使光束直径高达大约4mm的经修改后的光束110穿过。
波片116可以是例如半波片(λ/2片)，其用于将线性偏振激光脉冲，例如经修改后的激光脉冲110，偏振旋转。当激光脉冲与装置100的光学部件相互作用时，激光脉冲的偏振状态可改变。波片116可用于通过将激光光束的偏振旋转来精细调节装置100,从而使将穿过装置100的脉冲的能量传输最佳。可在装置100中添加另外的波片，以使穿过装置100中的光学部件的激光脉冲的传输最佳。另外的波片可以与图1中示出的波片116相同，或者另选地，它们可以是不同的。例如，此不同的波片可以是四分之一波片(λ/4波片)。
滤光器112可从波片116接收经修改后的光束110，进一步将具有第二能量、第二时间分布和第一空间分布的光束110修改成具有第二能量、第二时间分布和第二空间分布的经修改后的光束118，并且输出经修改后的光束118。
参照图7，例示了示例滤光器118的示意图，并且可包括光束扩展器766和光束成形元件768。光束扩展器766可用于将经修改后的光束110的直径增加为大于振荡器所产生的光束的第一直径。通过用光束扩展器766增大经修改后的光束110的直径，经扩展修改后的光束770可溢满光束成形元件768上的孔772。在一个实施例中，光束成形元件768是切趾器。切趾器768可包括孔772，孔772具有喷砂或锯齿状边缘774。通过用光束扩展器766扩展经修改后的光束110并且用经扩展修改后的光束770溢满切趾器768，可去除经扩展修改后的光束770的翼部分，以将具有第一空间分布的光束110修改成具有第二空间分布的光束118，第二空间分布具有平顶、顶帽状外观。可将其他光束成形装置用于光束成形元件768。在一个实施例中，德国柏林AdlOptica Optical Systems GmbH制造的、发布为光束成形元件768的pi成形器产生平顶(或pi形)光束118。
参照图8，例示了经修改后的激光光束118的示例空间分布800。图1中示出的脉动激光光束108和经修改后的光束110二者可具有呈大体高斯外观的第一空间分布，例如，如图8所示。可使用光束成形元件用光束中心部分876来形成大体顶帽状、平顶光束。在去除翼片段878之后，随着具有平顶中心部分876的经修改后的光束118穿过放大器，大体顶帽状、平顶光束的圆形部分880可继续变平，逼近虚线881。
参照图1，具有第二能量、第二时间分布和第二空间分布的经修改后的光束118可从滤光器112输出并且输入放大器106中，以放大经修改后的光束118。放大器106可输出经修改放大后的光束126。在一个实施例中，从振荡器102输出的激光光束脉冲108具有第一能量、第一光束直径、第一时间分布和第一空间分布，而从放大器106输出的经修改放大后的光束126具有大于第一能量的能量、大于第一光束直径的光束直径、与第一时间分布不同的时间分布和与第一空间分布不同的空间分布。
参照图9，例示了示例多级放大器106。如图9所示，放大器106具有四个放大级901、902、903和904。如这里所示出的，经修改后的光束118可进入第一放大器级901，并且经修改放大后的光束126可从第四放大器级904输出。
经修改后的光束118可输入第一放大器级901的输入端905，并且穿过光学隔离器907。从光学隔离器907，经修改后的光束118可进一步穿过真空继电器成像模块(VRIM)909，VRIM 909对经修改后的光束118进行聚焦，然后将光束108重新准直成增大的直径，之后将经准直后的光束911输出到放大器模块913。放大器模块913可放大经准直后的光束911，并且将经放大后的光束915输出到第一放大器级的输出端917。
光学隔离器907可与上述光学隔离器114类似地发挥作用。光学隔离器907可以是法拉第隔离器，传输向前行进方向上的经修改后的光束118，同时阻挡背散射光和来自光束118的其他指向后方的能量。在一个实施例中，使用光学隔离器907来保护装置100的前述部件，使其在光束118穿过光学隔离器907之后免受来自光束118的指向后方的能量的影响。光学隔离器907可使光束直径高达大约8mm的经修改后的光束118从中穿过。
经修改后的光束118可穿过隔离器907并且输入真空继电器成像模块(VRIM)909中。VRIM 909可聚焦并且重新准直经修改后的光束118，并且输出经准直后的光束911。VRIM909可包括第一透镜921、真空管923和第二透镜925。经修改后的光束118进入VRIM 909并且穿过第一透镜921，第一透镜921通过使经修改后的光束118在真空管923内部的中心附近聚焦而穿过。当经修改后的光束118从真空管923射出时，光束118由第二透镜925重新准直。从VRIM 909输出具有减小的光束强度和比脉动激光光束118的第一光束直径大的光束直径的经准直后的光束911。VRIM 909将经修改后的光束118中继到较大直径的经准直后的光束911。使用真空管923来防止经修改后的光束118在焦点处被空气击穿。光束118的空气击穿将导致光束质量和光束能量有损失。
VRIM 909可保存经修改后的光束118的空间分布，同时增大经修改后的光束118的大小以最佳填充放大器模块913的增益介质927。通过最佳填充增益介质927，使放大器模块913进行的经准直后的光束911的放大最佳。
光束911进入放大器模块913的增益介质927中。放大器模块913包括增益介质927和泵浦源929。当光束911穿过增益介质927时，泵浦源可选地泵浦光束911。增益介质927可以是由激光二极管阵列929泵浦的Nd:YLF晶体激光棒。当光束911穿过棒927时，光束911被放大并且被作为经放大后的光束915输出。在一个实施例中，激光棒927的直径是大约5mm。在另一个实施例中，激光棒927的直径是大约4-6mm。在另一个实施例中，激光棒927的直径是大约3-7mm。增益介质927可具有大约80％的填充因子，也就是说，增益介质面积中的大约80％将被光束911填充。一般，具有较大填充因子的增益介质将具有较高增益，并且可提取更多存储在增益介质内的能量。在一个实施例中，棒927具有85％的填充因子。
具有放大器模块913的第一放大器级901可用作小前置放大器，用于放大在输入端905处输入的光束的能量并且在输出端917处输出经放大后的光束915。在给定示例中，经放大后的光束915可具有大约40mJ至100mJ的第三能量、大约4.5mm的第二光束直径、第三时间分布和第三空间分布。
经放大后的光束915可输入第二放大器级902的输入端931。第二放大器级902可类似于第一放大器级901，并且包括VRIM 933和具有增益介质937的放大器模块935以及泵浦源939。经放大后的光束941可从放大器模块935输出到第二放大器级的输出端943。
VRIM 933的运转可类似于VRIM 909，并且包括用于聚焦经放大后的光束915、重新准直光束915并且输出经准直后的光束945的透镜和真空管。VRIM 933防止经放大后的光束915的击穿，并且增大经放大后的光束915的直径，以增大增益介质937上的经准直后的光束945的填充因子。VRIM 933的透镜可具有比VRIM 909中的透镜921和923大的直径(即，具有更高能量和更大光束直径的光束，例如经放大后的光束915，可利用较大直径的透镜)，并且VRIM 933中的真空管的长度可比VRIM 909中的管923的长。一般，随着光束能量和光束直径增大，VRIM的透镜大小和VRIM中的真空管的长度增加。VRIM 933可将经放大后的光束915中继成像成其直径用于提供具有大约80％至85％的填充因子的增益介质937的经准直后的光束945。
与上述的放大器模块913类似，放大器模块935可包括增益介质937和泵浦源939。当增益介质937被泵浦源939泵浦时，光束945可穿过增益介质937，以放大光束945，之后光束945作为经放大后的光束941从放大器模块935输出。增益介质937可以是由激光二极管阵列939泵浦的Nd:YLF晶体激光棒。在一个实施例中，激光棒937的直径是大约9mm。在另一个实施例中，激光棒937的直径是大约8-10mm。在另一个实施例中，激光棒937的直径是大约7-11mm。具有放大器模块935的第二放大器级902可用作小前置放大器，用于放大在输入端931处输入的光束的能量并且在输出端943处输出经放大后的光束941。在给定示例中，经放大后的光束941可具有大约1J的第四能量、大约8.1mm的第三光束直径、第四时间分布和第四空间分布。
如图9所示，放大器级901和902可按小信号增益状态运转，从而可进一步通过增益锐化使光束的时间分布的前沿锐化。当光束穿过这些放大器级时，光束的脉宽也可以收窄。
经放大后的光束941可输入第三放大器级903的输入端947。第三放大器级903可类似于之前的放大器级901和902，并且包括光学隔离器949、VRIM 951和具有增益介质955的放大器模块953以及泵浦源957。经放大后的光束959可从放大器模块953输出到第三放大器级的输出端961。
光学隔离器949可与上述光学隔离器907类似地发挥作用。在一个实施例中，光学隔离器949配置成使直径高达大约12mm的经修改后的光束941穿过。
VRIM 951的运转可类似于上述的VRIM 909和933，包括用于聚焦经放大后的光束941、重新准直经放大后的光束941并且输出经准直后的光束963的透镜和真空管。VRIM 951防止经放大后的光束941被聚焦之后经放大后的光束941的击穿，并且重新准直光束941以增大经放大后的光束941的直径，以增大增益介质955上的经准直后的光束963的填充因子。VRIM 951的透镜可具有比VRIM 909和933中的透镜大的直径，并且VRIM 951中的真空管的长度可比VRIM 909和933中的真空管长。VRIM 951可将经放大后的光束941中继成像成其直径用于提供具有大约80％至85％的填充因子的增益介质955的经准直后的光束963。
与上述的放大器模块913和935类似，放大器模块953可包括增益介质955和泵浦源957。当增益介质955被泵浦源957泵浦时，经准直后的光束963可穿过增益介质955，以放大光束963，之后光束963作为经放大后的光束959从放大器模块953输出。增益介质955可以是由激光二极管阵列957泵浦的Nd:YLF晶体激光棒。在一个实施例中，激光棒955的直径是大约15mm。在另一个实施例中，激光棒955的直径是大约14-18mm。在另一个实施例中，激光棒955的直径是大约12-18mm。具有放大器模块953的第三放大器级903可用作小前置放大器，用于放大在输入端947处输入的光束的能量并且在输出端961处输出经放大后的光束959。在给定示例中，经放大后的光束959可具有大约4.3J的第五能量、大约13.5mm的第四光束直径、第五时间分布和第五空间分布。
经放大后的光束959可输入第四放大器级904的输入端965。第四放大器级904可类似于之前的放大器级901、902和903，并且包括VRIM 967、波片969和具有增益介质973的放大器模块971以及泵浦源975。经放大后的光束126可从放大器模块971输出到第四放大器级的输出端977。
VRIM 967的运转可类似于上述的VRIM 909、933和951，包括用于聚焦经放大后的光束959、重新准直经放大后的光束959并且输出经准直后的光束979的透镜和真空管。VRIM967防止经放大后的光束959的击穿，并且重新准直经放大后的光束959以增大经放大后的光束959的直径，以增大增益介质973上的输出光束979的填充因子。VRIM 967的透镜可具有比VRIM 909、933和951中的透镜大的直径，并且VRIM 967中的真空管的长度可比VRIM 909、933和951中的真空管长。VRIM 967可将经放大后的光束959中继成像成其直径用于提供具有大约80％至85％的填充因子的增益介质973的经准直后的光束979。
与上述放大器模块913、935和953类似地，放大器模块971可包括增益介质973和泵浦源975。当增益介质973被泵浦源975泵浦时，经准直后的光束979可穿过增益介质973，以放大光束979，光束979作为经放大后的光束126从放大器模块971输出。增益介质973可以是由激光二极管阵列975泵浦的Nd:YLF晶体激光棒。在一个实施例中，激光棒973的直径是大约25mm。具有放大器模块971的第四放大器级904可用作小前置放大器，用于放大在输入端965处输入的光束的能量并且在输出端977处输出经放大后的光束126。在一个实施例中，第四放大器级904包括一个放大器模块971。在另一个实施例中，第四放大器级904包括一个或多个放大器模块971。在给定示例中，经放大后的光束126可具有大约7J至13J的第六能量、大约20mm至25mm的第五光束直径、第六时间分布和第六空间分布。从放大器106输出的经放大后的光束126可以是经修改和放大后的光束。
移动通过放大器106的光束的特性可由于光束放大而变化。例如，当光束被放大时，可通过放大器106中的光学元件来增大光束直径，以更有效地填充每个增益介质(例如，激光棒)，从而可提供来自增益介质的经最佳放大后的激光输出，同时还充分利用了放大器106内的某些组件的能力。
当光束穿过放大器106时，光束直径可增大，以便匹配增益介质大小(例如，棒直径)，例如，相应放大器级901、902、903和904中使用的棒927、937、955和973。随着整个放大器106内的光束能量增加，如果光束直径保持太小，则放大器106内的光学部件受损的风险增大。可通过随着光束能量增大而增大光束大小，将增益介质上的功率密度保持低于受损阈值。
移动通过放大器106的光束的其他特性可由于光束放大而变化。例如，随着光束被放大，可锐化光束的时间分布的前沿。
如图2所示，可使用UCC控制器242来控制放大器模块913、935、953和971的定时，如图9所示。具体地，UCC控制器242可控制放大器模块中的泵浦源何时泵浦放大器模块中的增益介质以优化穿过增益介质的光束的放大。以这种方式，可控制穿过放大器模块的光束的放大。
参照图1，可在从放大器106输出光束126之后使用光学隔离器120，以便一旦光束126穿过光学隔离器120，防止光束126就与装置100的之前光学部件相互作用。例如，一旦光束126穿过光学隔离器120，光学隔离器120就防止来自光束126的背散射光与装置100中的从振荡器102到放大器106的之前光学部件中的任一个相互作用。在一个实施例中，光学隔离器120是法拉第隔离器，并且可允许直径高达大约35mm的光束126穿过。
另外的元件可用于装置100，以为了激光冲击喷丸(LSP)应用而将经修改和放大后的激光束126传递到目标部件10。光束126可穿过光学隔离器120和光束传递装置122，以单独传递到目标部件101，或包含在喷丸单元124中的目标部件101。
如图10所示，激光束传递装置122可包括一个或多个镜1081、一个或多个光缆1083和多轴关节臂1085。激光束传递装置122可包括聚焦光学器件1087，以将较大大小的光束126聚焦成用于LSP应用的大约2-3mm的较小光斑大小。在一个实施例中，激光束传递装置122的聚焦光学器件1087聚焦并且调节光束126的光斑大小，使其在大约3mm至8mm之间。激光束传递装置122还可包括诸如遮光器1089的另外安全特征，以阻挡光束126进入激光束传递装置122，除非传递装置122设置成将光束126传递到目标部件101或喷丸单元124。另外的VRIM组件1091可与激光束传递装置122一起使用，以保持从放大器106输出的经修改和放大后的光束126的近场值和测量值。在一个实施例中，VRIM 1091用于将光束126中继成像至目标部件101。
激光喷丸单元124可包含将接受激光冲击喷丸的目标部件101。机器人操纵系统1093可适于操纵激光束传递装置122，以改变激光束传递装置的位置，进而改变从传递装置122输出到目标部件101的光束126的位置。机器人操纵系统1093还可用于引导部件进出激光喷丸单元124。激光喷丸单元124可提供不透光环境，以限制激光喷丸单元124内的光束126中的有危险的激光。激光喷丸单元124可配备如同照明、空气过滤系统和抽真空系统的额外选择和机器人1093的接口1095(即，进/出)以及其他安全系统，抽真空系统用于去除在LSP处理期间产生的流出物和碎屑，接口1095将部件移动进出激光喷丸单元124。在一个实施例中，激光喷丸单元124大小可定为，以具有大约4.5m×4.5m×3.0m(高度)的尺寸，以允许机器人1093操纵其中的较大目标部件。激光喷丸单元124可包括目标隔离系统1096，例如光学隔离器，以防止被目标部件101背散射的激光能量进入传递装置122或装置的其他光学元件。在一个实施例中，激光喷丸单元124可包括用于向目标部件101施用不透明涂层的不透明涂层施用器1097和用于向目标部件101施用透明涂层的透明涂层施用器1099。不透明涂层和透明涂层可施用于目标部件101，使得将放大和修改后的光束126在LSP处理期间接触目标部件101上的不透明涂层和透明涂层。
在一个实施例中，经修改和放大后的光束126的近场值包括大约7至13J的能量、高达大约16ns的脉宽、200W的平均功率和至少3mm的光斑大小。在该实施例中，装置100以20Hz的重复速率来生成具有这些参数的经修改和放大后的光束126。
在另一个实施例中，经修改和放大后的光束126的近场值包括大约5J至大约10J的能量、大约5W至大约200W的平均功率、小于大约0.2(20％)的光束均匀度和被聚焦成大约3mm至大约8mm的光斑大小的光束聚焦度。在该实施例中，装置100的振荡器102可产生光束质量比来自振荡器的小大约1.3M2的光束，并且可根据目标部件101的表面，用在大约1Hz至20Hz之间的可变重复速率，例如可选地是可变的“正在进行(on the fly)”，来生成具有这些参数和初始光束质量的光束。
在另一个实施例中，最终聚焦光学器件1087和目标部件101之间可以有大约5-10m的加工距离。大加工距离可将装置100的光学部件与在LSP处理期间产生的碎屑和流出物充分间隔开。
参照图11，用1100例示了表示功率/脉冲能量长期漂移的曲线图。曲线图1100表示连续运转8小时之后的经修改和放大后的光束的平均脉冲功率，并且表示大约200W的平均功率，脉冲能量长期稳定性是大约0.28％(rms)。
参照图12，用1200例示了表示空间光束积分通量均匀度的曲线图。可通过将经修改和放大后的光束瞄准配置成使光束形成轮廓的相机来捕获空间光束积分通量均匀度。相机可包括光阑，并且可以在由轮廓仪软件限定的光阑内定量光束积分通量均匀度。该限定的光阑内的光束能量将大于或等于总脉冲能量的大约90％，其中，光束均匀度定义为相对于所限定光阑内的其平均值的功率/能量密度的归一化rms偏差。可使用轮廓仪软件来测量空间光束均匀度。例如，可使用犹他州北洛根的Ophir-Spiricon,Inc.制作的带有软件的相机来测量和输出用1200例示的光束积分通量均匀度。曲线图1200中的类似颜色例示了经修改和放大后的光束保持空间光束积分通量均匀度的能力，而颜色方差例示了经修改和放大后的光束内的热斑。如用曲线图1200示出的，光束积分通量均匀度是9.10％。
参照图13，例示了表示经修改和放大后的光束的近场光束分布的曲线图1300。如用曲线图1300示出的，近场光束分布表示大约21mm的光束直径，更具体地，取决于测量和计算技术，在21.06mm至21.793mm内变化。
参照图14，例示了表示M2分析——也就是说，输出光束126(图1)的近场中的光束质量分析的曲线图1400。用公式1给出也被称为光束质量因子的M2值：
M2＝(d1*π*D0)/(4*λ*f) 公式1
其中，d1是光束的最小束腰(表中的2ω0)，也就是说，0.310mm；其中，D0是进入透镜的光束的大小，在这种情况下，20mm；其中，λ是激光的波长，在这种情况下，1053nm；并且其中，f是透镜焦距，在这种情况下，800mm。如表1401示出的，近场光束质量具有大约于5.97的平均值。
如图15所示，曲线图1500表示具有被调制器104(图1)限幅的前沿的光束的时间分布。通过将光束的一部分指向凭借电压测量光束能量的光电二极管来形成光束的曲线图。该电压发送到示波器，以便进行数据收集。如图15所示，y轴代表得自示波器的数字化原始数据点。示波器采集数据作为8比特样本，以提供127个离散的正值。表1示出时间和在图15中示出的光束的前沿上的0和峰值58之间采集的值的关联值。
时间(ns) 值 时间(ns) 值
58.3 0 64.3 49
59.5 1 64.7 52
60.7 3 65.5 54
61.2 6 66.7 55
61.9 12 67.9 57
63.1 32 69.1 58
表1–光束前沿的值与时间的关系
可以计算出作为峰值的10％和90％之间时间的上升时间。在给定示例中，对于峰值58，计算大约6和52的值之间的上升时间。基于以上表中的值，图15中示出的针对光束前沿的上升时间是大约3.5ns。
现在，参照图16，提供了用于对目标部件进行激光喷丸的示例方法1600的流程图。该方法包括：用具有二极管泵浦激光棒的振荡器来生成具有第一能量、第一光束直径和第一时间分布的脉动激光光束并且将其输出(1601)。在脉冲限幅器处接收振荡器所输出的光束(1603)，脉冲限幅器将具有第一能量和第一时间分布的光束修改成第二能量和第二时间分布(1605)。脉冲限幅器将具有第二能量和第二时间分布的经修改后的光束输出到放大器(1607)。放大器接收经修改后的光束并且用放大器将其从第二能量放大成第三能量，使其具有大于第一光束直径的第二光束直径(1609)和与第二时间分布不同的第三时间分布，并且将具有第三能量、第二光束直径、第三时间分布的光束从放大器输出到目标部件，以对目标部件进行激光冲击喷丸(1611)。
如方法1600中描述的振荡器还可输出具有第一空间分布的光束，并且包括接收滤光器处的具有第二能量、第二时间分布和第一空间分布的经修改后的光束；以及用滤光器修改经修改后的光束，以输出具有第二能量、第二时间分布和第二空间分布的经修改后的光束。
如方法1600中描述的放大器还可输出具有一定光斑大小的光束，并且包括：在激光光束传递装置处接收从放大器输出的光束；用激光光束传递装置将光束聚焦成大约3mm至大约8mm的光斑大小；以及将光束输出到目标部件。
如方法1600中描述的第三能量可以是从大约5J至大约10J。如方法1600中描述的第二光束直径可以是从大约22mm至大约22.5mm。如方法1600中描述的第三时间分布可包括大约12ns的平均脉宽。
参照图17，例示了针对放大器106的示例双通第一放大级1701。第一放大级1701可布置成在输入端1705处接收经修改后的激光光束178，使经修改后的激光束穿过偏振器1706、光学隔离器1707和VRIM 1709，以输出具有较大直径的光束1711。较大的光束1711还可穿过激光放大器模块1713，并且从放大器模块1713作为经放大后的光束1715输出。经放大后的光束1715可被镜1716反射并且返回穿过放大器模块1713，以生成经双通放大后的光束1717，经双通放大后的光束1717可返回穿过VRIM 1709和光学隔离器1707并且被偏振器1706反射回输出端1719。
类似于上述的第一放大器级901，双通第一放大器级1701可在输入端1705处接收经修改后的光束178，并且使经修改后的光束178穿过偏振器1706。偏振器1706可改变光束178的偏振并且将光束178向着光学隔离器1707引导。光学隔离器1707可与上述光学隔离器907类似地工作。通过改变光束178的偏振，可允许经双通放大后的光束1717在与光束178的方向不同的方向上返回穿过光学隔离器1707。
VRIM 1609可包括第一透镜1721、真空管1723和第二透镜1725并且与上述VRIM909类似地运转，以输出较大光束1711。另外，VRIM 1709可允许从放大器模块1713输出的经双通放大后的光束1717在与光束1711的方向不同的行进方向上穿过VRIM 1709。
放大器模块1713可与上述的放大器模块913类似，并且可包括增益介质1727和泵浦源1729。当增益介质1727被泵浦源1729泵浦时，光束1711可穿过增益介质1727，以放大光束1711，之后光束1711作为经放大后的光束1715从放大器模块1713输出。增益介质1727可以是由激光二极管阵列1729泵浦的Nd:YLF晶体激光棒。棒1727还可放大返回穿过棒1727的经反射的放大后的光束1715，之后从棒1727和放大器模块1713输出经放大后的光束1715作为经双通放大后的光束1717。
镜1716可反射经放大后的光束1715，使其返回穿过第一放大器模块1713，以进一步放大光束1715并且输出经双通放大后的光束1717。
在经双通放大后的光束1717穿过VRIM 1709和光学隔离器1707二者之后，经双通后的光束1717接触可改变经双通放大后的光束1717的偏振的偏振器1706，并且将光束1717向着双通第一放大器级1701的输出端1719引导。
具有放大器模块1713的双通第一放大器级1701可充当小前置放大器，以放大输入端1705处的光束的能量并且在输出端1719处输出经双通放大后的光束1717。在给定示例中，经双通放大后的光束1717可具有大约230mJ的第三能量、大约4.5mm的第二光束直径、第三时间分布和第三空间分布。
如图9所示，诸如902、903和904的另外的放大器级可设置成用如以上针对双通第一放大器级1701描述的类似部件进行双通处理。可使用另外的双重双通放大布置，由此，首先通过一个放大器模块对脉冲进行双通处理，然后，通过具有用直径比之前放大器模块大的增益介质的后续放大器进行双通处理。
如图18所示，具有匹配的放大器模块1883的示例第四放大级1804可用于增加从放大器模块971出射的光束1881的放大倍数。所匹配的第四放大级1804可类似于上述的放大级904，具有另外的放大器模块。放大器模块1883可类似于放大器模块971，也就是说，放大器模块1883的增益介质1887可具有与放大器模块971的增益介质973相同的大小。放大器模块1883具有泵浦源1885，泵浦源1885用于泵浦增益介质1887以放大输入光束1881，之后在输出端977处输出输出光束126。装备100的任一个放大器级可布置成被匹配，也就是说，放大器级可包括用于放大光束的另外放大器模块，并且与图18所示地类似配置。
参照图19，例示了示例分束器配置1900的示意图。可例如在最后一个放大器级之后使用分束器配置1900，以将光束分成具有相等或不等能量的两个光束。分束器配置1900可包括分束器1905，以将经修改放大后的光束1926分成光束1928和1930。可使用诸如双通配置、匹配配置或其他配置的另外放大配置来放大所分成的光束。
本文中描述的实施例可使用机器人控制件、控制系统和存储在计算机可读介质上的指令集，当执行指令集时，指令集可执行本文中描述的示例方法。例如，可使用机器人来操纵目标部件并且将脉动激光光束指向目标部件上的不同位置。可使用机器人将目标部件移入和移出用于LSP的激光喷丸单元。机器人可批量地移动部件，以有效进行LSP处理。机器人可与控制系统连接，以操纵部件进行LSP处理，也就是说，机器人可控制部件的定位，使得部件可设置成接收透明涂层和用于LSP的激光脉冲二者。机械臂可针对部件上的后续LSP目标来重新定位所述部件。在一个实施例中，机器人以大约20Hz的速率来重新定位用作后续LSP目标的部件。在另一个实施例中，机器人具有小于大约0.2mm的位置可重复性精度。另外，可使用机器人与工具或传感器连接，以生成便于进行系统调节或校准的反馈。如图10所示，诸如机械臂1093的机器人可配备光束传递装置122的部件，使得机器人1093和光束传递装置122可相对于固定部件101重新定位，以将激光脉冲传递到目标部件101，进行激光冲击喷丸。以这种方式，机器人可控制目标部件101相对于输出光束126的位置，或者控制输出光束126相对于目标部件101的位置。
用于LSP处理的装置可与一个或多个控制器连接，以控制装置的功能。控制器可自动地进行校准或调节，或者可存在供用户与装置的控制件交互的用户界面。为了进行自动控制，当光束传播穿过装置时，可采用各种传感器来收集各种光束参数。可实时收集传感器读数，或者以一定间隔收集并且用作便于进行装置控制的反馈。例如，可按规则间隔在装置内进行温度测量，以确保装置正在指定温度范围内工作。可测量并监测一个或多个脉冲的脉冲能量、脉冲宽度和空间分布，并且当所测得值落在用户选择范围之外时，控制系统可调节装置的部件，使得所测得的值可落入用户选择范围内。
可从装置内部和光束传递路径取得与激光光束参数相关的数据(例如是被光学部件部分反射或者通过镜泄漏能量)。数据可以是周期性取得的，并且与目标数据进行交叉校准，以确保LSP处理条件在用户选择的容差内。
可用设置在光束路径中的相机以非常严格的容差来确定光束位置和光斑大小。可使用相机来捕获光束图像，并且可将从光束图像中提取的参数与理想参数进行比较。例如，如果光束位置没有如理想位置参数所指示地居中，则可自动地调节镜，以将光束移至更靠近理想参数所限定的位置。可按小增量来进行移动光束的调节，并且可进行多次测量和调节，直到光束如理想位置参数所限定地定位。还可使用相机来测量光斑面积和光斑大小。控制器可自动地调节透镜，以调节目标透镜来设置光斑大小。
虽然不是排他性或限制，但可使用与在LSP处理中使用的装置一起使用的控制系统，以用于：配置并监测电驱动(eDrive)/振荡器(例如，定时、泵浦电流)；配置并监测定时发生器；控制并监测激光安全；控制并监测激光输出；控制并监测激光温度(例如，外壳温度、冷却水温度等)；借助调节激光头定时来控制输出能量；控制涂层施用；控制并监测最后的聚焦透镜；控制并监测最后的转向镜；与诸如机器人的外部控制系统集成；将部件的配置存储在装置中；存储装置所收集的数据，以便后续处理；以及控制对装置的访问(例如，限制由经授权用户来访问装置)。
虽然不是排他性或限制，但可使用与用于LSP处理的装置一起使用的控制系统的传感器部件可感测并监测：脉宽、脉冲能量、光束空间分布、二极管电压、泵浦电流、外壳温度、冷却水温度、激光安全系统和装置的健康状况。
如本文中使用的控制系统可用于自动地调节：激光头定时；最后的聚焦透镜位置；最后的转向镜位置；涂层施用定时；冷却系统运转；以及数据收集。控制系统可自动地调节输出激光束的能量。控制系统可自动地调节二极管电压。可由eDrive来自动地控制二极管电流。
现在，参照图20，提供了用于对LSP中使用的装置进行自动校准和调节的示例方法(2000)的流程图。方法(2000)可包括：在对目标部件进行LSP之前，将用于LSP的装置中的最后的聚焦透镜调节成用户定义的光斑大小(2001)。该方法还可包括在对目标部件进行LSP之前，基于用户定义的目标位置来调节激光束传递系统上的镜位置(2003)。该方法还可包括由装置通过以下步骤来校准光束输出的能量：将测试激光射到经校准后的能量计处以测量测试激光能量，并且将所测得的测试激光能量与用户定义的激光输出能量进行比较(2005)。该方法还可包括调节用于LSP的装置的部件并且将测试激光重新射到经校准后的能量计处，直到所测得的测试激光能量在用户定义的能量的容差内，以校准输出光束(2007)。该方法还可包括通过以下步骤来校准激光输出的光斑大小、光束位置和脉宽：将经校准后的光束射到用于LSP的目标部件处，并且测量光束中的检测(pickoff)位置(2009)，并且将所测得的光斑大小、所测得的位置和所测得的脉宽与用户定义的光斑大小、位置和脉宽进行比较(2011)。该方法还可包括通过以下步骤来反复调节激光的参数：调节最后的聚焦透镜，调节激光束传递装置中的镜的位置以及调节脉冲限幅器，并且重新测量光斑大小、光束位置和脉宽，直到光斑大小、光束位置和脉宽在用户定义的光斑大小、光束位置和脉宽的容差内(2013)。
除非具体做相反陈述，否则包括随附权利要求书的说明书中阐述的数字参数是近似值，会根据按照示例实施例而寻求得到的所需性质来变化。至少，丝毫不是尝试限制权利要求书范围的等同主义的应用，每个数字参数应该至少依照所报告的有效数字位的数字并且通过应用普通的四舍五入技术来理解。
虽然阐述了本发明的广义范围的数值范围和参数是近似值，但在具体示例中阐述的数值被尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含必定因其相应测试测量中发现的标准偏差导致的一定误差。
此外，虽然已经通过描述示例实施例例示了系统、方法和装置，并且虽然已经用相当多的细节描述和例示了示例实施例，但如果此细节没有在权利要求书中阐明，则申请人不旨在将随附权利要求书的范围约束或以任何方式限制于此细节。当然，不可以出于描述系统、方法和装置的目的来描述部件或方法的每个可料想到的组合。因受益于该申请，本领域的技术人员将容易地清楚另外的优点和修改。因此，本发明就其更广的方面而言不限于所示出和描述的具体细节和例示性的示例和示例性的实施例。因此，可在不脱离总体发明构思的精神或范围的情况下，修改这些细节。因此，本申请旨在涵盖落入随附权利要求书的范围内的改变形式、修改形式和变形形式。之前的描述不意图限制本发明的范围。确切地，本发明的范围将由随附权利要求书及其等同物来限制。
如说明书和权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数。此外，倘若在权利要求书中采用了术语“或”(例如，A或B)，旨在意指“A或B或二者”。当申请人旨在指示“仅A或B，而非这二者”时，则将采用术语“仅A或B，而非这二者”。类似地，当申请人旨在指示A、B或C中的“一个且仅一个”时，申请人将采用短语“一个且仅一个”。另外，在说明书或权利要求书中使用了术语“在...中”或“在...内”时，其程度旨在另外意指“在...上”或“在...上方”。在说明书或权利要求书中使用了术语“选择性”，其程度旨在是指其中装置的用户可在使用装置时在必要或期望时启用或禁用部件的特征或功能的部件状况。在说明书或权利要求书中使用了术语“功能性连接”，其程度旨在意指所识别的部件以执行所指定功能的方式进行连接。最后，当术语“大约”结合数字进行使用时，旨在包括该数字的±10％。换句话讲，“大约10”可意指从9至11。

Claims (22)

1.一种用于激光冲击喷丸的装置，所述装置包括：
二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器，其配置成输出具有第一能量和第一时间分布的脉动激光光束；
调制器，其配置成修改所述脉动激光光束以提供具有第二能量和第二时间分布的经修改后的光束；以及
多级放大器，所述多级放大器包括：
第一级，其配置成将所述经修改后的光束从所述第二能量放大成第三能量，将所述经修改后的光束从所述第二时间分布修改成第三时间分布，以及输出具有所述第三能量和所述第三时间分布的经放大后的光束，其中所述第一级包括光学隔离器、第一真空继电器成像模块(VRIM)以及第一放大器模块，其中所述经修改后的光束穿过所述光学隔离器、所述第一VRIM和所述第一放大器模块；
第二级，其配置成将所述经放大后的光束从所述第三能量放大成第四能量，并且将所述经放大后的光束从所述第三时间分布修改成第四时间分布，以及输出具有所述第四能量和所述第四时间分布的经放大后的光束，其中所述第二级包括第二VRIM和第二放大器模块，其中所述经放大后的光束穿过所述第二VRIM和所述第二放大器模块；
第三级，其配置成将所述经放大后的光束从所述第四能量放大成第五能量，并且将所述经放大后的光束从所述第四时间分布修改成第五时间分布，以及输出具有所述第五能量和所述第五时间分布的经放大后的光束，其中所述第三级包括光学隔离器、第三VRIM和第三放大器模块，其中所述经放大后的光束穿过所述光学隔离器、所述第三VRIM和所述第三放大器模块；以及
第四级，其配置成将所述经放大后的光束从所述第五能量放大成第六能量，并且将所述经放大后的光束从所述第五时间分布修改成第六时间分布，以及输出具有所述第六能量和所述第六时间分布的经放大后的光束，其中所述第四级包括第四VRIM、波片和第四放大器模块，其中所述经放大后的光束穿过所述第四VRIM、所述波片和所述第四放大器模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉动激光光束具有第一空间分布，并且其中，所述装置还包括滤光器，所述滤光器配置成接收由所述调制器输出的所述经修改后的光束，以及将所述第一空间分布变成第二空间分布。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述脉动激光光束具有第一直径和翼，并且其中，所述滤光器包括：
光束扩展器，配置成将经修改后的光束扩展成比所述第一直径大的直径；以及
切趾器，配置成从所述光束扩展器接收经扩展后的光束，去除所述翼，并且输出具有不带所述翼的所述第二空间分布的光束。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DPSSL振荡器包括具有第一直径的激光棒，并且其中，所述多级放大器的所述第一级包括具有比所述第一直径大的第二直径的第二激光棒，所述第二激光棒配置成将具有所述第二能量的光束放大成所述第三能量，以及将具有所述第二时间分布的光束修改成所述第三时间分布，并且输出具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束，并且其中，所述多级放大器的所述第二级包括具有比所述第二直径大的第三直径的第三激光棒，所述第三激光棒配置成将具有所述第三能量的光束放大成所述第四能量，将具有所述第三时间分布的光束修改成所述第四时间分布，并且输出具有所述第四能量和所述第四时间分布的光束，并且其中所述多级放大器的所述第三级包括具有比所述第三直径大的第四直径的第四激光棒，所述第四激光棒配置成将具有所述第四能量的光束放大成所述第五能量，将具有所述第四时间分布的光束修改成所述第五时间分布，并且输出具有所述第五能量和所述第五时间分布的光束，并且其中所述多级放大器的所述第四级包括具有比所述第四直径大的第五直径的第五激光棒，所述第五激光棒配置成将具有所述第五能量的光束放大成所述第六能量，将具有所述第五时间分布的光束修改成所述第六时间分布，并且输出具有所述第六能量和所述第六时间分布的光束。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二激光棒的直径在大约3-7毫米(mm)的范围内，所述第三激光棒的直径在大约7-11mm的范围内，所述第四激光棒的直径在大约12-18mm的范围内，以及所述第五激光棒的直径是约25mm。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述脉动激光光束具有第一光束直径，并且其中，所述第一级的VRIM配置成基于所述经修改后的光束，将经准直后的光束输出到所述第二激光棒，其中所述经准直后的光束包括大于所述第一光束直径的直径。
7.根据权利要求1所述的装置，其包括光束传递装置，所述光束传递装置配置成将从所述放大器输出的所述光束传递到目标部件。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述经放大修改后的光束具有一定光斑大小，并且其中，所述光束传递装置具有配置成调节所述光斑大小的透镜。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述经放大修改后的光束具有近场值和测量值，并且其中，所述光束传递装置包括真空继电器成像模块(VRIM)，配置成保持所述近场值和所述测量值，并且将所述光束传递到所述目标部件。
10.根据权利要求1所述的装置，其包括光学隔离器，所述光学隔离器配置成将第一方向上的所述经放大修改后的光束传递到激光光束传递装置，并且将第二方向上的光束隔离所述光束传递装置。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光学隔离器配置成根据偏振传输第一方向上的所述光束以及隔离第二方向上的光束。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其包括包括目标部件的喷丸单元，以及其中所述喷丸单元具有不透明涂层施用器和透明涂层施用器，所述不透明涂层施用器配置成在所述光束将接触所述目标部件的位置施用不透明涂层，所述透明涂层施用器配置成在所述经放大修改后的光束将接触所述目标部件的位置施用透明涂层。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制器是脉冲限幅器，所述脉冲限幅器将所述脉动激光光束修改成所述第二能量和所述第二时间分布。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉动激光光束的单个脉冲具有前沿和后沿，并且其中，所述调制器是配置成切割所述脉动激光光束的所述单个脉冲的所述前沿、所述后沿以及其组合中的一个的脉冲限幅器。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DPSSL振荡器包括光学腔体以及所述装置包括种子注入器，配置成将种子激光输出到所述光学腔体中，以生成并输出具有单纵模的所述脉动激光光束。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述种子注入器具有种子控制器，配置成将压电转换器(PZT)电压与参考电压进行比较并且输出比较值，当所述比较值在预定范围之外时输出PZT控制信号，并且当所述比较值在所述预定范围之内时输出重置信号，并且其中，所述光学腔体具有包括起始位置的镜，所述PZT连接到所述镜并且配置成接收所述重置信号并且将所述镜从当前位置重置成所述起始位置。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述种子控制器配置成接收所述PZT控制信号并将所述镜移动至新位置，以及输送对应于所述PZT的当前位置的所述PZT电压。
18.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一级的所述放大器模块包括增益介质和泵浦源，所述增益介质包括所述第二激光棒，所述泵浦源配置成在所述光束穿过所述增益介质时泵浦所述光束，所述第二级的所述放大器模块包括增益介质和泵浦源，所述增益介质包括所述第三激光棒，所述泵浦源配置成在所述光束穿过所述增益介质时泵浦所述光束，所述第三级的所述放大器模块包括增益介质和泵浦源，所述增益介质包括所述第四激光棒，所述泵浦源配置成当所述光束穿过所述增益介质时泵浦所述光束，所述第四级的所述放大器模块包括增益介质和泵浦源，所述增益介质包括所述第五激光棒，所述泵浦源配置成在所述光束穿过所述增益介质时泵浦所述光束。
19.一种用于对目标部件进行激光冲击喷丸的方法，所述方法包括：
输出具有第一能量、第一光束直径和第一时间分布的脉动激光光束；
将具有所述第一能量和所述第一时间分布的脉动激光光束修改成第二能量和第二时间分布；
经由多级放大器的第一级，将具有所述第二能量的光束放大成第三能量，将所述光束修改成比所述第一光束直径大的第二光束直径，并且将所述光束从所述第二时间分布修改成第三时间分布，其中所述第一级包括光学隔离器、第一真空继电器成像模块(VRIM)和第一放大器模块，其中所述经修改后的光束穿过所述光学隔离器、所述第一VRIM和所述第一放大器模块；
经由所述多级放大器的第二级，将具有所述第三能量的光束放大成第四能量，将所述光束修改成比所述第二光束直径大的第三光束直径，并且将所述光束从所述第三时间分布修改成第四时间分布，其中所述第二级包括第二VRIM和第二放大器模块，其中所述经放大后的光束穿过所述第二VRIM和所述第二放大器模块；
经由所述多级放大器的第三级，将具有所述第四能量的光束放大成第五能量，将所述光束修改成比所述第三光束直径大的第四光束直径，并且将所述光束从所述第四时间分布修改成第五时间分布，其中所述第三级包括光学隔离器、第三VRIM和第三放大器模块，其中所述经放大后的光束穿过所述光学隔离器、所述第三VRIM和所述第三放大器模块；
经由所述多级放大器的第四级，将具有所述第五能量的光束放大成第六能量，将所述光束修改成比所述第四光束直径大的第五光束直径，并且将所述光束从所述第五时间分布修改成第六时间分布，其中所述第四级包括第四VRIM、波片和第四放大器模块，其中所述经放大后的光束穿过所述第四VRIM、所述波片和所述第四放大器模块；以及
将具有所述第六能量、所述第五光束直径和所述第六时间分布的光束输出到目标部件，以便进行激光冲击喷丸。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，具有所述第一能量和所述第一时间分布的光束具有第一空间分布，所述方法还包括修改具有所述第二能量、所述第二时间分布和所述第一空间分布的所述光束，以输出具有所述第二能量、所述第二时间分布和第二空间分布的光束。
21.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
接收具有所述第六能量和所述第六时间分布的光束；
将具有所述第六能量和所述第六时间分布的光束聚焦；并且
将具有所述第六能量和所述第六时间分布的光束输出到所述目标部件。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，修改所述脉动激光光束包括使用包括脉冲限幅器的调制器来切割所述脉动激光光束的单个脉冲的前沿、所述脉动激光光束的所述单个脉冲的后沿以及其组合。
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