CN108817675B - 一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，特别涉及一种利用飞秒激光双脉冲对等离子体和冲击波进行调控，进而提高激光辐照区域材料表面质量和性能的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明与传统的激光冲击强化相比，通过采用飞秒激光双脉冲技术，调控辐照材料局部瞬时电子状态，进而调控等离子体和冲击波的喷发状态，提高吸收层对激光能量的吸收效率，有效避免了材料的热损伤，同时在很大程度上提高激光辐照区域材料的表面质量和性能，进而增强了激光冲击强化的效果，适用于材料表面质量和性能的高效率提高，可以实现超精细和复杂三维结构的可控强化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，特别涉及一种利用飞秒激光双脉冲对等离子体和冲击波进行调控，进而提高激光辐照区域材料表面质量和性能的方法，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
激光冲击强化技术是一种目前广泛应用的材料表面处理技术，主要针对金属及合金材料等，在航空航天领域有重大应用。其主要原理是利用高功率密度和短脉冲的激光在材料表面诱导高压冲击波，使材料表层发生残余应力层加深，晶粒细化和塑性变形等，进而实现材料抗疲劳和耐磨损、耐腐蚀等性能的显著提高。用于冲击强化的激光峰值功率需达到GW量级才能形成有效冲击。
飞秒激光因为其超高的峰值功率、超短的脉冲持续时间，超光学衍射极限的加工精度，广泛应用于材料微纳加工领域。在激光冲击强化过程中，目前比较普遍的方法是利用纳秒激光单脉冲进行冲击强化。这种方法主要存在以下缺点：纳秒激光脉冲的峰值功率密度受限，其诱导的等离子体冲击波压力较弱，对表面质量的提高作用有效；为了达到更好的冲击效果，利用纳秒激光进行冲击强化时吸收层的厚度受限制，吸收层太厚起不到有效冲击，但吸收层太薄会导致材料表面的损伤；同时，纳秒激光在辐照材料时会伴随有热效应，因此可能导致材料熔融并产生重铸层或微裂纹，不利于材料表面质量的改善；纳秒激光的加工精度较低，无法实现对材料特定区域的精确冲击强化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，该方法在上述激光冲击强化方法的基础上，通过飞秒激光双脉冲取代传统的纳秒激光单脉冲，调控材料局部瞬时电子状态，提高吸收层对激光能量的吸收效率，有效避免材料表面的热损伤，显著增强飞秒激光辐照区的等离子体冲击波强度，实现突破光学衍射极限精度的冲击强化效果。
本发明的目的是通过以下技术来实现的：
一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，具体步骤如下：
步骤一、通过迈克尔逊干涉仪，利用分振幅法使飞秒激光光束分为双光束，分别经过平面镜反射后重新合束，从而将传统的飞秒激光单脉冲光束调制为飞秒激光双脉冲光束。通过调节迈克尔逊干涉仪反射臂长度，可以调节两个子脉冲之间的延迟时间范围为100fs-100ps。
步骤二、在待强化的金属或合金材料表面覆盖吸收层，吸收层一般为铝箔或高分子黑胶带，厚度约为50-200μm。
步骤三、把步骤一产生的飞秒激光双脉冲聚焦到步骤二中金属或合金材料表面的吸收层，使吸收层材料在短时间内快速电离为等离子体，并急剧膨胀形成冲击波，冲击波在约束层的作用下只能向材料方向传播，金属或合金材料在冲击波的强烈冲击下产生屈服。约束层一般为水、空气或K9玻璃。
步骤四、去除金属或合金材料表面的吸收层，在飞秒激光双脉冲扫描区域，金属或合金材料表面受到冲击波的巨大压力，产生残余应力、位错、孪晶等，从而使其表面质量和性能得到改善。
实现上述方法的装置，包括：飞秒激光器、机械开关、第一光阑、第一连续衰减片、分束镜、第二光阑、第二连续衰减片、第一反射镜、一维平移台、第三光阑、第三连续衰减片、第二反射镜、聚焦物镜、待强化样品、三维移动平移台和计算机。
连接关系：飞秒激光器产生传统的飞秒激光脉冲，依次经过为机械开关、第一光阑和第一连续衰减片后被分束镜被分为两束子脉冲光，第一束子脉冲光I经过第二光阑、第二连续衰减片后，被搭载在一维平移台上的第一反射镜反射；第二束子脉冲光II经过第三光阑、第三连续衰减片后，被第二反射镜反射；两束子脉冲光在分束镜处合在一起，经聚焦物镜聚焦到待强化样品上，待强化样品固定在三维移动平台上。其中飞秒激光器、机械开关、一维平移台和三维移动平台均被计算机控制。
有益效果
1.采用飞秒激光双脉冲进行激光冲击强化时，其可达到的峰值功率密度及冲击波强度比采用传统的纳秒激光提高几个数量级，可以实现对其他方法无法强化的硬质材料进行冲击强化。
2.采用飞秒激光双脉冲进行激光冲击强化时，在相同的能量密度下，吸收层对激光能量的吸收效率相比采用传统的单脉冲激光显著提高；在相同的吸收层厚度下，本方法比其他方法可以实现多次循环的冲击强化。本方法可以有效降低吸收层厚度并实现冲击强化。
3.采用飞秒激光双脉冲进行激光冲击强化，可以有效地避免金属或合金材料表面产生其他方法中会出现的重铸等热损伤。
4.采用飞秒激光双脉冲进行冲击强化，通过调节两个子脉冲的能量比例和延迟时间，可以调控强化效率；当两个子脉冲能量相同且子脉冲间隔为50ps时，强化增强取得最大值。
5.采用飞秒激光双脉冲进行冲击强化，相比于传统的纳秒激光可以实现对强化区域的精密可控，提高强化区域的加工精度。
附图说明
图1为飞秒激光双脉冲冲击强化光路图：
其中，1为飞秒激光器；2为机械开关；3为第一光阑；4为第一连续衰减片；5为分束镜；6为第二光阑；7为第二连续衰减片；8为第一反射镜；9为一维平移台；10为第三光阑；11为第三连续衰减片；12为第二反射镜；13为聚焦物镜；14为待强化样品；15为三维移动平移台；16为计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的介绍：
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为1kHz；实验中待强化样品选用厚度约为2mm的金属铜Cu，并在其表面黏贴铝箔作为吸收层，铝箔的厚度约为150μm。
实施例1：
首先用传统飞秒激光单脉冲冲击强化，测量冲击后的表面凹坑深度，作为与飞秒激光双脉冲冲击强化后表面强度的对比。冲击强化光路示意图如附图1所示，具体加工步骤如下：
(1)打开机械开关2和第二光阑6，关闭第三光阑10，此时仅子脉冲光I用于冲击强化，校准光路，确保激光垂直入射待强化样品表面；
(2)通过调整第一连续衰减片4和第二连续衰减片7，把子脉冲光I的能量调整为30μJ；子脉冲光I的能量被分束镜5透射掉二分之一，实际作用到样品上的激光能量为15μJ，聚焦后的光斑直径约为5μm，能量密度约为153J/cm2；
(3)计算机16控制三维移动平移台15以2500μm/s的速度相对激光焦点运动，使待强化样品14的激光扫描区域得到冲击强化；
(4)将待强化样品14表面残余的铝箔揭去，并用丙酮和酒精清洗表现残留物，经过测量激光冲击强化区域待强化样品14表面凹坑深度约为30μm。
实施例2：
下面以飞秒激光双脉冲为例，说明飞秒激光双脉冲的冲击强化增强的效果。
本发明提出的利用飞秒激光双脉冲增强激光冲击强化的方法，光路示意图如附图1所示，具体加工步骤如下：
(1)分别打开机械开关2和第二光阑6、第三光阑10，校准光路，使激光垂直入射待强化样品表面；
(2)通过调整第一连续衰减片4、第二连续衰减片7、第三连续衰减片11，把子脉冲光I和子脉冲光II的能量分别调整为15μJ；由于分束镜5对反射光的再次反射与透射，实际作用到样品上的总能量为15μJ，光斑直径约为5μm，总能量密度上述实例1中的能量密度相同；
(3)计算机16控制一维平移台9移动，使两束子脉冲光在分束镜5处的光程相差15000μm，即在分束镜5处，两个子脉冲的时间延迟为50ps；
(4)计算机16控制三维移动平移台15以2500μm/s的速度相对焦点运动，使待强化样品14的激光扫描区域得到冲击强化；
(5)将待强化样品14表面残余的铝箔揭去，并用丙酮和酒精清洗表现残留物，经过测量激光冲击强化区域待强化样品14表面凹坑深度约为37μm。
(6)按上述步骤(3)的操作，把子脉冲光I和II的时间延迟调整为25ps，重复步骤(4)(5)，经计算，经过测量激光冲击强化区域待强化样品14表面凹坑深度约为35μm。
(7)按上述步骤(3)的操作，把子脉冲光I和II的时间延迟调整为10ps，重复步骤(4)(5)，经计算，经过测量激光冲击强化区域待强化样品14表面凹坑深度约为33μm。
由实施例1和2可见，在相同激光辐照能量密度、相同的激光扫描速度条件下，飞秒激光双脉冲冲击强化效率比传统飞秒激光单脉冲冲击强化效果可以提高约10-25％。
由实施例2中不同时间延迟的双脉冲的实验结果可见，在相同的能量密度下，通过调节两个子脉冲的时间延迟，可以调控强化效率；且当双脉冲的两个子脉冲时间延迟为50ps时，冲击强化效果得最大值。
Claims (5)
1.一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、通过迈克尔逊干涉仪，利用分振幅法使飞秒激光光束分为双光束，分别经过平面镜反射后重新合束，从而将传统的飞秒激光单脉冲光束调制为飞秒激光双脉冲光束；通过调节迈克尔逊干涉仪反射臂长度，可以调节两个子脉冲之间的延迟时间；
步骤二、在待强化的金属表面覆盖吸收层；
步骤三、把步骤一产生的飞秒激光双脉冲聚焦到步骤二中金属表面的吸收层，使吸收层材料在短时间内快速电离为等离子体，并急剧膨胀形成冲击波，冲击波在约束层的作用下只能向材料方向传播，金属在冲击波的强烈冲击下产生屈服；从而改善了金属表面的质量和性能。
2.如权利要求1所述的一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，其特征在于：步骤一所述延迟时间范围为100fs-100ps。
3.如权利要求1所述的一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，其特征在于：步骤二所述吸收层一般为铝箔或高分子黑胶带，厚度约为50-200μm。
4.如权利要求1所述的一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，其特征在于：步骤三所述约束层一般为水、空气或K9玻璃。
5.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：飞秒激光器、机械开关、第一光阑、第一连续衰减片、分束镜、第二光阑、第二连续衰减片、第一反射镜、一维平移台、第三光阑、第三连续衰减片、第二反射镜、聚焦物镜、待强化样品、三维移动平移台和计算机；
飞秒激光器产生传统的飞秒激光脉冲，依次经过机械开关、第一光阑和第一连续衰减片后被分束镜分为两束子脉冲光，第一束子脉冲光I经过第二光阑、第二连续衰减片后，被搭载在一维平移台上的第一反射镜反射；第二束子脉冲光II经过第三光阑、第三连续衰减片后，被第二反射镜反射；两束子脉冲光在分束镜处合在一起，经聚焦物镜聚焦到待强化样品上，待强化样品固定在三维移动平台上；其中飞秒激光器、机械开关、一维平移台和三维移动平台均被计算机控制。
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