CN113732486A - 基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法及系统 - Google Patents

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张翔
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    • B23K26/36—Removing material

Abstract

本发明涉及一种基于连续‑重频脉冲激光的激光辐照加强方法及系统，包括以下步骤：构建连续‑重频脉冲组合激光，所述连续‑重频脉冲组合激光包括连续激光和脉冲激光；使用连续‑重频脉冲组合激光对待加工物质进行辐照处理。其能够达到快速损伤物体表面的效果，工作效率高，效果好。

Description

基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法及系统
技术领域
本发明涉及激光辐照技术领域，尤其是指一种基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法及系统。
背景技术
物质在激光的辐照作用下，激光能量被物质所吸收，物质表面温度将不断升高，随着辐照强度和作用时间的不断增加，材料开始发生相变甚至是被电离，该作用过程中所产生的温度及烧蚀形貌的动态变化规律，是激光与物质相互作用研究的重点关注问题之一。针对材料作用物质吸收、形态变化以及损伤效果的研究，将对激光加工、激光军事应用等领域的发展有着重要意义。激光按照其工作方式可分为连续激光、长脉冲激光和短脉冲激光，其与物质作用的机理也有一定的差异。当连续激光和长脉冲激光辐照物质表面时，激光主要作为热源，作用在物质上主要表现为能量积累，表现出“热”作用，主要以光-热烧蚀作用为主；当脉冲激光辐照物质表面时，物质表面在短时间内吸收大量激光能量，引起物质温度升高、熔融、气化和喷溅等现象，物质表面和向外喷溅物质变为物质蒸汽并继续吸收能量，在数个皮秒到几个纳秒时间内，通过多光子雪崩电离产生光学击穿，使得区域内得物质蒸汽温度进一步提高，电离度也提高，进而形成高温高压得等离子体，等离子体继续吸收后续激光能量，并使得能量在聚焦区域内迅速累积，从而导致高温高压的等离子体以超音速向外膨胀，形成高压波阵面从而破坏物质表面，以光-电损伤效应为主。
但上述激光在辐照物质表面时仍存在作用损伤效果差等技术问题。对于连续激光和长脉冲激光，其峰值功率不足，整个作用过程主要以加热物质为主，对物质损伤效果较差；脉冲激光虽然峰值功率极高，容易造成物质表面初始损伤，但是产生大量的等离子体会吸收后续激光，造成激光无法持续作用物质表面，造成物质进一步损伤效果变差。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中激光在辐照物质表面时仍存在作用损伤效果差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，包括以下步骤：
构建连续-重频脉冲组合激光，所述连续-重频脉冲组合激光包括连续激光和脉冲激光；
使用连续-重频脉冲组合激光对待加工物质进行辐照处理。
作为优选的，所述脉冲激光为短脉冲尖峰激光。
作为优选的，所述连续激光和脉冲激光为相同波长。
作为优选的，所述连续激光和脉冲激光为不相同波长。
作为优选的，所述连续激光和脉冲激光通过空间合束的方法叠加获得。
作为优选的，所述连续-重频脉冲组合激光在紫外波段、可见光波段或红外波段。
作为优选的，所述连续激光和脉冲激光的光斑尺寸一致。
本发明公开了一种基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强系统，包括：
连续激光产生模块，所述连续激光产生模块用于产生连续激光；
脉冲激光产生模块，所述脉冲激光产生模块用于产生脉冲激光；
空间合束模块，所述空间合束模块将所述连续激光和所述脉冲激光合束，获得连续-重频脉冲组合激光；
辐照模块，所述辐照模块将所述连续-重频脉冲组合激光辐照在待加工物体上。
作为优选的，所述连续激光的功率为数百瓦级；所述脉冲激光的周期为纳秒级。
一种如上述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强系统的应用。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明中，当连续-重频脉冲组合激光辐照物体表面时，由于脉冲激光的峰值功率极高会激发一定量的等离子体，而激发的等离子体会快速吸收连续激光的能量，引起小区域等离子体快速升温，迅速扩大物体表面的温度梯度分布和热应力，当热应力超过材料的应力阈值时，物质表面发生损伤，从而达到快速损伤物体表面的效果，工作效率高，效果好。
附图说明
图1为本发明一实施例中连续和重频脉冲的组合激光时域光强分布图；
图2为连续-重频脉冲的组合激光辐照物质表面引起快速损伤的原理示意图；
图3为连续-重频脉冲的组合激光辐照物质(铁材料)表面的温度随时间的变化曲线；
图4为连续-重频脉冲的组合激光辐照物质(铁材料)表面径向应力和轴向应力随时间的变化曲线。
说明书附图标记说明：1、脉冲激光；2、连续激光；3、连续-重频脉冲组合激光；4、物体；5、等离子体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-图4所示，本发明的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，包括以下步骤：
步骤一、构建连续-重频脉冲组合激光，连续-重频脉冲组合激光包括连续激光和脉冲激光，即本发明中，以连续激光为基底，在连续激光的基础上辅以脉冲激光，形成了一种连续-重频脉冲组合激光。
参照图1所示，为连续-重频脉冲组合激光的时域光强分布图，其主要分为两个部分，一部分为高峰值功率脉冲激光1和连续激光2，当连续-重频脉冲组合激光辐照物体表面时，高峰值功率脉冲激光1用于作用物质表面激发一定量的等离子体，低峰值功率区域2用于对等离子体注入能量。
步骤二、使用连续-重频脉冲组合激光对待加工物质进行辐照处理。
参照图2所示，为连续-重频脉冲组合激光辐照物体表面引起快速损伤的原理示意图。本发明的工作原理是：当连续-重频脉冲组合激光3辐照物体4表面时，由于脉冲激光的峰值功率极高会激发一定量的等离子体5，而激发的等离子体5会快速吸收连续激光的能量，引起小区域等离子体5快速升温，迅速扩大物体表面的温度梯度分布和热应力，当热应力超过材料的应力阈值时，物质表面发生损伤，从而达到快速损伤物体4表面的效果。
具体的，当等离子体吸收连续激光2能量后，等离子体的吸收率可以表示为：
Figure BDA0003271002790000041
其中，Ks为逆吸收系数，v为激光频率，T为等离子体温度，Ne是电子数密度，N+为铝离子密度，Z为原子系数，k为玻尔兹曼常数。
而小区域的等离子体吸收激光能量后，作为二次热源会快速改变物质表面的温度分布和应力分布，形成极大的温度梯度分布和热应力，物质表面温度扩散可表示为：
Figure BDA0003271002790000051
其中，T为温度，Q表示热源，K表示物质的热扩散系数，ρ表示物质密度。
物质表面应力分布满足：
Figure BDA0003271002790000052
其中，
Figure BDA0003271002790000053
Figure BDA0003271002790000054
其中，u，r，z分别为材料空间域内的点在轴向、切向和竖直方向的位移分量，σr、σθ和σzr分别为轴向、切向以及竖直和切向合方向的应力。G表示材料的杨氏模量，β表示材料的热膨胀系数。
当热应力超过物质的拉应力或压应力阈值时，物质表面将会发生损伤。
本发明中，脉冲激光为短脉冲尖峰激光。连续激光和脉冲激光可为相同波长，也可为不相同波长。而连续激光和脉冲激光可通过空间合束的方法叠加获得。
本发明中，连续-重频脉冲组合激光在紫外波段、可见光波段或红外波段等波段，其可以根据工作需求进行选择。
优选的，连续激光和脉冲激光的光斑尺寸可一致。如此，连续激光和脉冲激光合束后，两束激光能够聚焦在同一个辐照点上，稳定性更佳。
本发明还公开了一种基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强系统，包括连续激光产生模块、脉冲激光产生模块、空间合束模块和辐照模块。连续激光产生模块用于产生连续激光。脉冲激光产生模块用于产生脉冲激光，脉冲激光为短脉冲尖峰激光。空间合束模块将连续激光和脉冲激光合束，获得连续-重频脉冲组合激光。
辐照模块将连续-重频脉冲组合激光辐照在待加工物体上。
本发明中，连续激光的功率为数百瓦级(＞100W))；脉冲激光的周期为纳秒级。
表1为一具体实施例的激光及物质的参数设定。
表1
激光波长 1064nm 恒压热容 475J/(kg·K)
脉冲宽度 10ns 导热系数 44.5W/(m·K)
单脉冲能量 5J 热膨胀系数 12.3×10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup>
重复频率 100Hz 密度 7850kg/m<sup>3</sup>
连续激光功率 300W 泊松比 0.3
光斑半径 0.5mm 杨氏模量 200×10<sup>-9</sup>Pa
吸收率 85％
图3为连续和重频脉冲的组合激光辐照物质(铁材料)表面的温度随时间的变化曲线。从图3可以看出，随着激光辐照时间的增加，激光引起物质表面温度增加，激光作用期间，温度不断升高最终趋于稳定。
图4为连续和重频脉冲的组合激光辐照物质(铁材料)表面径向应力和轴向应力的变化曲线。从图中可以看出，物质表面的径向应力和轴向应力随激光辐照时间的增大而不断增大，最终趋于饱和，物质表面的径向应力小于轴向应力，铁材料的拉应力阈值约为170MPa～270MPa，压应力阈值约为200MPa，随着辐照时间的增加，铁材料在激光辐照约数秒后，其表面轴向压应力强度大于材料的抗压应力阈值，物质表面发生损伤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建连续-重频脉冲组合激光，所述连续-重频脉冲组合激光包括连续激光和脉冲激光；
使用连续-重频脉冲组合激光对待加工物质进行辐照处理。
2.根据权利要求1所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，其特征在于，所述脉冲激光为短脉冲尖峰激光。
3.根据权利要求1所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，其特征在于，所述连续激光和脉冲激光为相同波长。
4.根据权利要求1所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，其特征在于，所述连续激光和脉冲激光为不相同波长。
5.根据权利要求1所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，其特征在于，所述连续激光和脉冲激光通过空间合束的方法叠加获得。
6.根据权利要求1所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，其特征在于，所述连续-重频脉冲组合激光在紫外波段、可见光波段或红外波段。
7.根据权利要求1所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强方法，其特征在于，所述连续激光和脉冲激光的光斑尺寸一致。
8.一种基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强系统，其特征在于，包括：
连续激光产生模块，所述连续激光产生模块用于产生连续激光；
脉冲激光产生模块，所述脉冲激光产生模块用于产生脉冲激光；
空间合束模块，所述空间合束模块将所述连续激光和所述脉冲激光合束，获得连续-重频脉冲组合激光；
辐照模块，所述辐照模块将所述连续-重频脉冲组合激光辐照在待加工物体上。
9.如权利要8所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强系统，其特征在于，所述脉冲激光的周期为纳秒级。
10.一种如权利要求8-9任一项所述的基于连续-重频脉冲激光的激光辐照加强系统的应用。
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