CN109112289A - 激光强化系统和激光强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的激光强化系统和激光强化方法，涉及膜层强化技术领域。其中，激光强化系统包括：控制器；飞秒激光器，该飞秒激光器与控制器连接，以基于控制器的控制输出飞秒激光；激光处理组件，该激光处理组件与飞秒激光器对应设置，以接收飞秒激光并对该飞秒激光进行光学处理；移动平台，该移动平台与激光处理组件对应设置，以使经过光学处理的飞秒激光能够输出至移动平台，以对位于该移动平台的待强化元件进行强化处理。控制器与移动平台连接，以控制移动平台带动待强化元件移动，以使经过光学处理的飞秒激光能够对待强化元件的表面的各个区域进行强化处理。通过上述设置，可以避免采用现有的强化方法会对元件的表面结构造成破坏的问题。

Description

激光强化系统和激光强化方法

技术领域

本发明涉及膜层强化技术领域，具体而言，涉及一种激光强化系统和激光强化方法。

背景技术

熔石英材料具有良好的光学性能，因此，由该材料制作的光学元件在大型高能量激光系统中具有广泛的应用。其中，通过在熔石英基底镀制介质膜，可以进一步增强熔石英光学元件的光学性能并起到保护层的作用。

但是，由于物理镀膜原理的限制，介质膜与熔石英基底的机械性能会存在差距。其中，在需要提高介质膜的机械性能时，需对介质膜做进一步地强化处理。

激光强化技术被广泛应用于金属材料表面的强化，如飞机发动机叶片、大型汽轮机叶片、石油管道以及汽车关键零部件等的处理。经发明人研究发现，现有的激光强化技术是利用激光能量在被处理材料表面沉积后产生的热力学及动力学效应，使表面材料发生物理性能的改变，但是对于光学材料，在强化过程中产生的高温和冲击波会破坏介质膜的表面结构，进而导致具有该介质膜的光学元件难以得到有效地使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光强化系统和激光强化方法，以避免采用现有的强化方法会对元件的表面结构造成破坏的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种激光强化系统，包括：

控制器；

飞秒激光器，该飞秒激光器与所述控制器连接，以基于所述控制器的控制输出飞秒激光；

激光处理组件，该激光处理组件与所述飞秒激光器对应设置，以接收所述飞秒激光并对该飞秒激光进行光学处理；

移动平台，该移动平台与所述激光处理组件对应设置，以使经过光学处理的飞秒激光能够输出至所述移动平台，以对位于该移动平台的待强化元件进行强化处理；

其中，所述控制器与所述移动平台连接，以控制所述移动平台带动所述待强化元件移动，以使经过光学处理的飞秒激光能够对所述待强化元件的表面的各个区域进行强化处理。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化系统中，所述激光处理组件包括能量调节单元，该能量调节单元包括：

与所述飞秒激光器对应设置的半波片；

与所述半波片对应设置的偏振片；

与所述偏振片对应设置的衰减器；

其中，所述飞秒激光器输出的飞秒激光能够依次经过所述半波片、偏振片以及所述衰减器的处理后传输至所述移动平台。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化系统中，所述激光处理组件还包括激光光束调节单元，该激光光束调节单元包括：

与所述衰减器对应设置的光束整形器；

与所述光束整形器对应设置的扩束器；

其中，经过所述衰减器输出的飞秒激光能够依次经过所述光束整形器和所述扩束器分别进行光斑形状、能量空间分布的调整处理和光斑尺寸的调整处理后传输至所述移动平台。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化系统中，所述激光处理组件还包括：

激光快门，该激光快门位于所述光束整形器和所述扩束器之间，且与所述控制器连接，以基于所述控制器的指令控制所述光束整形器输出的飞秒激光是否能够传输至所述扩束器。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化系统中，所述激光处理组件还包括光路调节单元，该光路调节单元包括：

第一反射镜，该第一反射镜位于所述飞秒激光器和所述半波片之间，以使所述飞秒激光器输出的飞秒激光经过所述第一反射镜反射至所述半波片；

第二反射镜，该第二反射镜位于所述衰减器与所述光束整形器之间；

第三反射镜，该第三反射镜位于所述第二反射镜与所述光束整形器之间，以使所述衰减器输出的飞秒激光依次经过所述第二反射镜和所述第三反射镜反射后传输至所述光束整形器；

双色镜，该双色镜位于所述扩束器和所述移动平台之间，以使所述扩束器输出的飞秒激光能够通过所述双色镜反射至所述移动平台。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化系统中，所述激光处理组件还包括：

物镜，该物镜位于所述双色镜和所述移动平台之间，以使所述双色镜反射的飞秒激光能够经过所述物镜的聚焦处理后输出至所述移动平台。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化系统中，还包括：

监控组件，该监控组件与所述移动平台对应设置，以对设置于所述移动平台的待强化元件基于飞秒激光的强化过程进行监控。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化系统中，述监控组件包括：

可见光光源，用于输出可见光至所述待强化元件，并在所述待强化元件的表面发生发射，以依次经过所述物镜和所述双色镜输出；

第四反射镜，该第四反射镜与所述双色镜对应设置，以将所述双色镜透射出的可见光进行反射处理；

聚焦透镜，该聚焦透镜与所述第四反射镜对应设置，以将所述第四反射镜反射的可见光进行聚焦处理；

图像传感器，该图像传感器与所述控制器连接，且与所述聚焦透镜对应设置，以将所述聚焦透镜输出的可见光转换为电信号并输出至所述控制器。

在上述基础上，本发明实施例还提供了一种应用于上述激光强化系统的激光强化方法，所述方法包括：

飞秒激光器基于控制器的控制输出飞秒激光；

激光处理组件接收所述飞秒激光并对该飞秒激光进行光学处理；

移动平台基于所述控制器的控制带动位于该移动平台的待强化元件移动，以使经过光学处理的飞秒激光能够对所述待强化元件的表面的各个区域进行强化处理。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述激光强化方法中，所述激光强化系统还包括监控组件，在执行所述飞秒激光器基于控制器的控制输出飞秒激光的步骤之前，所述方法还包括：

飞秒激光器基于控制器的控制输出测试激光，并经过激光处理组件进行光学处理后输出至位于移动平台的测试元件，其中，该测试元件与所述待强化元件材料相同；

所述监控组件对所述测试元件基于测试激光的测试过程进行监控，以得到对应的激光损伤阈值，以使所述控制器能够基于该激光损伤阈值确定强化处理时飞秒激光器输出的飞秒激光的能量值。

本发明提供的激光强化系统和激光强化方法，通过控制器、飞秒激光器、激光处理组件以及移动平台的配合设置，可以通过飞秒激光对待强化元件进行强化处理，以避免采用现有的强化方法会对元件的表面结构造成破坏的问题，进而保证强化得到的元件可以被有效地应用于各高能量激光系统中。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光强化系统的结构框图。

图2为本发明实施例提供的激光强化系统的光学原理图。

图3为本发明实施例提供的激光强化方法的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的激光强化方法的另一流程示意图。

图标：100-激光强化系统；110-控制器；120-飞秒激光器；130-激光处理组件；131a-半波片；131b-偏振片；131c-衰减器；133a-光束整形器；133b-扩束器；135-激光快门；137a-第一反射镜；137b-第二反射镜；137c-第三反射镜；137d-双色镜；139-物镜；140-移动平台；150-监控组件；151-可见光光源；153-第四反射镜；155-聚焦透镜；157-图像传感器；200-待强化元件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供了一种激光强化系统100，可以包括控制器110、飞秒激光器120、激光处理组件130以及移动平台140。

其中，所述飞秒激光器120与所述控制器110连接，以基于所述控制器110的控制输出飞秒激光。所述激光处理组件130与所述飞秒激光器120对应设置，以接收所述飞秒激光并对该飞秒激光进行光学处理。所述移动平台140与所述激光处理组件130对应设置，以使经过光学处理的飞秒激光能够输出至所述移动平台140，以对位于该移动平台140的待强化元件200进行强化处理。

并且，所述控制器110与所述移动平台140连接，以控制所述移动平台140带动所述待强化元件200移动，以使经过光学处理的飞秒激光能够对所述待强化元件200的表面的各个区域进行强化处理。也就是说，通过所述移动平台140带动所述待强化元件200移动，可以使所述飞秒激光对所述待强化元件200的表面进行扫描，以对所述待强化元件200的表面的各个区域进行强化处理。

其中，所述待强化元件200包括熔石英基底和镀制于该熔石英基底一面的介质膜。并且，所述熔石英基底上有所述介质膜的一面为所述飞秒激光进行强化的表面。

详细地，在进行介质膜的镀制过程中，可以将环境保持在百级洁净度、温度维持在20℃、湿度不高于40％，并且，可以将镀制好的待强化元件200静止12小时，并进行表面清洁处理后进行强化处理。

可选地，所述控制器110还可以与计算机连接，以执行计算机下发的指令，通过计算机完成较为复杂的计算处理等。

可选地，所述激光处理组件130包括的光学元件不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以根据具体的处理需求进行设置。在本实施例中，为实现对所述飞秒激光器120输出的飞秒激光进行能量调节，所述激光处理组件130可以包括能量调节单元。

其中，所述能量调节单元可以包括半波片131a、偏振片131b以及衰减器131c。并且，所述半波片131a与所述飞秒激光器120对应设置，所述偏振片131b与所述半波片131a对应设置，所述衰减器131c与所述偏振片131b对应设置，以使经过所述飞秒激光器120输出的飞秒激光能够依次经过所述半波片131a、偏振片131b以及所述衰减器131c的能量调节处理后传输至所述移动平台140，以完成对所述待强化元件200的强化处理。

进一步地，为提高所述飞秒激光对所述待强化元件200的强化效率，在本实施例中，所述激光处理组件130还可以包括激光光束调节单元，以对所述飞秒激光光斑的能量空间分布、形状及尺寸大小进行调整。

其中，所述激光光束调节单元可以包括光束整形器133a和扩束器133b。并且，所述光束整形器133a与所述衰减器131c对应设置，所述扩束器133b与所述光束整形器133a对应设置，以使所述衰减器131c输出的飞秒激光能够依次经过所述光束整形器133a和所述扩束器133b分别进行光斑形状、能量空间分布的调整处理和光斑尺寸调整处理后传输至所述移动平台140。

详细地，所述光束整形器133a可以对所述衰减器131c输出的飞秒激光进行光斑能量空间分布和光斑形状的调整处理，以得到需要的高斯、平顶、贝塞尔以及其他能量空间分布的光斑。并且，该光斑的具体形状不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以包括，但不限于圆形、椭圆形以及其它的规则或不规则的形状。

所述扩束器133b可以对所述光束整形器133a输出的飞秒激光进行光斑尺寸的调整，以得到较大光斑尺寸的飞秒激光，进而增大在所述待强化元件200的表面的有效作用面积。

进一步地，为便于对所述飞秒激光进行控制，在本实施例中，所述激光处理组件130还可以包括激光快门135。

其中，所述激光快门135可以位于所述光束整形器133a和所述扩束器133b之间，且与所述控制器110连接，以基于所述控制器110的指令控制所述光束整形器133a输出的飞秒激光是否能够传输至所述扩束器133b。也就是说，在需要飞秒激光对所述待强化元件200进行强化处理时，所述控制器110可以控制所述激光快门135打开，以使所述光束整形器133a输出的飞秒激光能够传输至所述扩束器133b。在不需要飞秒激光对所述待强化元件200进行强化处理时，所述控制器110可以控制所述激光快门135关闭，以使所述光束整形器133a输出的飞秒激光不能传输至所述扩束器133b。

进一步地，为便于上述各光学元件的设置，在本实施例中，所述激光处理组件130还可以包括光路调节单元，以便于各光学元件对飞秒激光进行处理后能够有效地传输至对应的其它元件。

其中，所述光路调节单元可以包括第一反射镜137a、第二反射镜137b、第三反射镜137c以及双色镜137d。详细地，所述第一反射镜137a位于所述飞秒激光器120和所述半波片131a之间，以使所述飞秒激光器120输出的飞秒激光经过所述第一反射镜137a反射至所述半波片131a。所述第二反射镜137b位于所述衰减器131c与所述光束整形器133a之间，所述第三反射镜137c位于所述第二反射镜137b与所述光束整形器133a之间，以使所述衰减器131c输出的飞秒激光依次经过所述第二反射镜137b和所述第三反射镜137c反射后传输至所述光束整形器133a。

所述双色镜137d位于所述扩束器133b和所述移动平台140之间，以使所述扩束器133b输出的飞秒激光能够通过所述双色镜137d反射至所述移动平台140。具体地，所述飞秒激光的中心波长可以为800nm，所述双色镜137d能够对该中心波长的飞秒激光进行反射。

进一步地，为进一步地提高飞秒激光对待强化元件200的作用效果，在本实施例中，所述激光处理组件130还可以包括物镜139，以对飞秒激光进行聚焦处理。

其中，所述物镜139位于所述双色镜137d和所述移动平台140之间，以使所述双色镜137d反射的飞秒激光能够经过所述物镜139的聚焦处理后输出至所述移动平台140。也就是说，经过所述物镜139进行聚焦处理后的飞秒激光能够有效地传输至所述移动平台140，以对所述待强化元件200进行强化处理。

进一步地，为避免飞秒激光在对所述待强化元件200进行强化处理时造成待强化元件200激光损伤的问题，在本实施例中，所述激光强化系统100还可以包括监控组件150。

其中，所述监控组件150与所述移动平台140对应设置，以对设置于所述移动平台140的待强化元件200基于飞秒激光的强化过程进行监控。

并且，所述监控组件150还可以与所述控制器110连接，以使所述控制器110能够基于所述监控组件150获取的监控信息对所述强化过程进行控制，例如，在根据所述监控信息判断出所述待强化元件200在飞秒激光的作用下可能会出现损伤的情况时，可以控制所述激光快门135关闭，以停止向所述待强化元件200输出飞秒激光。

可选地，所述监控组件150包括的光学元件不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。在本实施例中，所述监控组件150可以包括可见光光源151、第四反射镜153、聚焦透镜155以及图像传感器157。

其中，所述可见光光源151用于输出可见光至所述待强化元件200，并在所述待强化元件200的表面发生发射，以依次经过所述物镜139和所述双色镜137d输出。所述第四反射镜153与所述双色镜137d对应设置，以将所述双色镜137d透射出的可见光进行反射处理。所述聚焦透镜155与所述第四反射镜153对应设置，以将所述第四反射镜153反射的可见光进行聚焦处理。所述图像传感器157与所述控制器110连接，且与所述聚焦透镜155对应设置，以将所述聚焦透镜155输出的可见光转换为电信号并输出至所述控制器110。

可选地，所述可见光光源151输出的可见光的波长不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以是属于400-700nm波段的任意波长，以使该可见光能够在所述双色镜137d发生透射，以传输至所述第四反射镜153。

其中，所述图像传感器157可以是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)，集成有多个感光元件，以将接收到的光信号转换成电信号。

结合图3，本发明实施例还提供一种可应用于上述激光强化系统100的激光强化方法。其中，所述激光强化方法可以包括步骤S110、步骤S120以及步骤S130。

步骤S110，飞秒激光器120基于控制器110的控制输出飞秒激光。

步骤S120，激光处理组件130接收所述飞秒激光并对该飞秒激光进行光学处理。

步骤S130，移动平台140基于所述控制器110的控制带动位于该移动平台140的待强化元件200移动，以使经过光学处理的飞秒激光能够对所述待强化元件200的表面的各个区域进行强化处理。

上述各步骤的具体处理过程，可以参照前文对所述激光强化系统100的解释说明，在此不再一一赘述。

其中，为避免通过所述飞秒激光对所述待强化元件200进行强化处理时导致待强化元件200发生激光损伤的问题，在本实施例中，在执行步骤S110之前，所述激光强化方法还可以包括步骤S150和步骤S160。

步骤S150，飞秒激光器120基于控制器110的控制输出测试激光，并经过激光处理组件130进行光学处理后输出至位于移动平台140的测试元件。

在本实施例中，所述测试激光与所述飞秒激光的性质和作用相同，只是该测试激光用于进行激光损伤测试。并且，所述测试元件与所述待强化元件200材料相同，也是在熔石英基底上镀制同一介质膜，以替代所述待强化元件200进行测试。

步骤S160，所述监控组件150对所述测试元件基于测试激光的测试过程进行监控，以得到对应的激光损伤阈值，以使所述控制器110能够基于该激光损伤阈值确定飞秒激光器120输出的飞秒激光的能量值。

在本实施例中，通过步骤S160，可以在所述测试激光作用于所述测试元件时，对该测试激光的能量值进行调整，以使所述测试元件能够基于具有该能量值的测试激光发生损伤，激光损伤测试后以未发生损伤的最大能量值作为激光损伤阈值。

并且，在执行步骤S110以输出用于进行强化处理的飞秒激光时，可以基于得到的激光损伤阈值输出小于该激光损伤阈值对应的能量值的飞秒激光，以避免在强化过程中对待强化元件200造成激光损伤的问题。

综上所述，本发明提供的激光强化系统100和激光强化方法，通过控制器110、飞秒激光器120、激光处理组件130以及移动平台140的配合设置，可以通过飞秒激光对待强化元件200进行强化处理，以避免采用现有的强化方法会对元件的表面结构造成破坏的问题，进而保证强化得到的元件可以被有效地应用于各高能量激光系统中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光强化系统，其特征在于，包括：

控制器；

飞秒激光器，该飞秒激光器与所述控制器连接，以基于所述控制器的控制输出飞秒激光；

激光处理组件，该激光处理组件与所述飞秒激光器对应设置，以接收所述飞秒激光并对该飞秒激光进行光学处理；

移动平台，该移动平台与所述激光处理组件对应设置，以使经过光学处理的飞秒激光能够输出至所述移动平台，以对位于该移动平台的待强化元件进行强化处理；

其中，所述控制器与所述移动平台连接，以控制所述移动平台带动所述待强化元件移动，以使经过光学处理的飞秒激光能够对所述待强化元件的表面的各个区域进行强化处理。

2.根据权利要求1所述的激光强化系统，其特征在于，所述激光处理组件包括能量调节单元，该能量调节单元包括：

与所述飞秒激光器对应设置的半波片；

与所述半波片对应设置的偏振片；

与所述偏振片对应设置的衰减器；

其中，所述飞秒激光器输出的飞秒激光能够依次经过所述半波片、偏振片以及所述衰减器的处理后传输至所述移动平台。

3.根据权利要求2所述的激光强化系统，其特征在于，所述激光处理组件还包括激光光束调节单元，该激光光束调节单元包括：

与所述衰减器对应设置的光束整形器；

与所述光束整形器对应设置的扩束器；

其中，经过所述衰减器输出的飞秒激光能够依次经过所述光束整形器和所述扩束器分别进行光斑形状、能量空间分布的调整处理和光斑尺寸的调整处理后传输至所述移动平台。

4.根据权利要求3所述的激光强化系统，其特征在于，所述激光处理组件还包括：

激光快门，该激光快门位于所述光束整形器和所述扩束器之间，且与所述控制器连接，以基于所述控制器的指令控制所述光束整形器输出的飞秒激光是否能够传输至所述扩束器。

5.根据权利要求3或4所述的激光强化系统，其特征在于，所述激光处理组件还包括光路调节单元，该光路调节单元包括：

第一反射镜，该第一反射镜位于所述飞秒激光器和所述半波片之间，以使所述飞秒激光器输出的飞秒激光经过所述第一反射镜反射至所述半波片；

第二反射镜，该第二反射镜位于所述衰减器与所述光束整形器之间；

第三反射镜，该第三反射镜位于所述第二反射镜与所述光束整形器之间，以使所述衰减器输出的飞秒激光依次经过所述第二反射镜和所述第三反射镜反射后传输至所述光束整形器；

双色镜，该双色镜位于所述扩束器和所述移动平台之间，以使所述扩束器输出的飞秒激光能够通过所述双色镜反射至所述移动平台。

6.根据权利要求5所述的激光强化系统，其特征在于，所述激光处理组件还包括：

物镜，该物镜位于所述双色镜和所述移动平台之间，以使所述双色镜反射的飞秒激光能够经过所述物镜的聚焦处理后输出至所述移动平台。

7.根据权利要求6所述的激光强化系统，其特征在于，还包括：

监控组件，该监控组件与所述移动平台对应设置，以对设置于所述移动平台的待强化元件基于飞秒激光的强化过程进行监控。

8.根据权利要求7所述的激光强化系统，其特征在于，所述监控组件包括：

可见光光源，用于输出可见光至所述待强化元件，并在所述待强化元件的表面发生发射，以依次经过所述物镜和所述双色镜输出；

第四反射镜，该第四反射镜与所述双色镜对应设置，以将所述双色镜透射出的可见光进行反射处理；

聚焦透镜，该聚焦透镜与所述第四反射镜对应设置，以将所述第四反射镜反射的可见光进行聚焦处理；

图像传感器，该图像传感器与所述控制器连接，且与所述聚焦透镜对应设置，以将所述聚焦透镜输出的可见光转换为电信号并输出至所述控制器。

9.一种激光强化方法，应用于权利要求1-8任意一项所述的激光强化系统，其特征在于，所述方法包括：

飞秒激光器基于控制器的控制输出飞秒激光；

激光处理组件接收所述飞秒激光并对该飞秒激光进行光学处理；

移动平台基于所述控制器的控制带动位于该移动平台的待强化元件移动，以使经过光学处理的飞秒激光能够对所述待强化元件的表面的各个区域进行强化处理。

10.根据权利要求9所述的激光强化方法，所述激光强化系统还包括监控组件，其特征在于，在执行所述飞秒激光器基于控制器的控制输出飞秒激光的步骤之前，所述方法还包括：

飞秒激光器基于控制器的控制输出测试激光，并经过激光处理组件进行光学处理后输出至位于移动平台的测试元件，其中，该测试元件与所述待强化元件材料相同；

所述监控组件对所述测试元件基于测试激光的测试过程进行监控，以得到对应的激光损伤阈值，以使所述控制器能够基于该激光损伤阈值确定强化处理时飞秒激光器输出的飞秒激光的能量值。