CN115776923A - 激光冲击喷丸过程中用于脉冲激光光束控制的装置和方法 - Google Patents

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杰夫·L·杜兰尼
基思·格洛弗
丹尼尔·梅里菲尔德
马克·E·奥洛林
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Abstract

本申请提供了一种用于脉冲激光光束控制的装置，该装置包括：(i)二极管泵浦固态激光振荡器，配置为生成并输出具有与控制器的电流设置选择相对应的预定义光束特性的脉冲激光光束；和(ii)放大器，其配置为放大能量并修改脉冲激光光束的光束分布。光束检测器与所产生的激光束耦合，以监测以下组合：(i)脉冲激光光束的宽度；(ii)脉冲激光光束的直径；和(iii)能量层级，并生成一个误差信号作为反馈信号发送回控制器。所述控制器配置有电流源以输出校正电流以调谐所述DPSSL振荡器、波片和第一偏振片，以旋转校正偏振角并将能量放大或时间分布调整到定义的性能容差内。

Description

激光冲击喷丸过程中用于脉冲激光光束控制的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月9号提交的美国临时专利申请No.62/987，172的优先权，其全部内容在此通过引入的方式合并如本文中。
技术领域
本申请涉及一种激光冲击喷丸过程中用于脉冲激光光束控制的装置和方法，属于脉冲激光光束控制技术领域。
背景技术
激光冲击喷丸，也称作“激光喷丸”和“LSP”，是一种传统喷丸处理的替代或补充方法，是一种用于产生深(例如，大于1mm)的残余压应力层，并通过用足够的力冲击材料，使其产生塑性变形来改变材料的机械性能的冷加工方法。由激光喷丸处理产生的残余应力增加了材料的抗疲劳和抗应力性能，从而显著提高激光喷丸零部件的使用寿命。激光喷丸处理使用高能激光脉冲以产生等离子体羽流并引起零部件表面上的压力快速升高。该压力产生并维持一个传播到零部件表面的高强度冲击波。激光喷丸产生的冲击波引起对零部件微结构的冷加工，并且有助于提高零部件的性能。
当冲击波传播到零部件中时，在零部件材料的塑性变形期间，波中的一些能量被吸收。这也被称作冷加工。激光喷丸处理通常使用约8纳秒(ns)至约40ns的激光脉冲宽度。在激光喷丸处理中，激光束的通常使用的光斑直径为约1.0mm至约8.0mm。
激光脉冲宽度通常由脉冲宽度定义，该脉冲宽度在脉冲的峰值强度的一半处测量。对于高斯型脉冲，脉冲能量近似为脉冲下的面积(即，功率随时间的变化)的积分。因此，对于固定能量输出，在脉冲前沿具有更锐利上升时间的较窄脉宽激光束可以在激光喷丸处理中在零部件表面上提供更高的冲击压力。
发明内容
一方面，提供了一种用于脉冲激光光束控制的装置，该装置包括：一种二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器，被配置为生成并输出具有与控制器的电流设置选择相对应的预定义光束特性的脉冲激光光束，其中，所述控制器响应于所述电流设置选择，控制电流源输出电流以调谐所述DPSSL振荡器以生成具有在定义容差内的脉冲宽度、第一能量、第一空间分布和第一时间分布的第一光束；滤光器，其配置为使用第二时间分布修改接收到的具有经修改的脉冲宽度(PW2)的经修改的第一光束，以输出具有第二能量、第二空间分布和第二时间分布的第二光束；以及多级放大器，被配置为在光束能量放大和光束分布修改之后输出一个出射光束，所述多级放大器包括：第一级放大器，其配置为放大和修改所述第二光束以输出具有第三能量和第三时间分布的第三光束；以及第二级放大器，其配置为放大和修改所述第三光束以输出具有第四能量和第四时间分布的第四光束，其中所述第四光束基本上将所述脉冲宽度(PW1)或所述经修改的脉冲宽度(PW2)保持在所述定义容差内。
另一方面，提供了一种用于脉冲激光光束控制的方法，该方法包括：由二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器生成并输出具有对应于控制器的电流设定选择的预定义光束特性的脉冲激光光束；响应于所述电流设定选择，所述控制器控制电流源输出电流以调谐所述DPSSL振荡器以产生具有一个在定义容差内的脉冲宽度、第一能量、第一空间分布和第一时间分布的第一光束(PW1)；修改，通过滤光器，接收具有第二时间分布的经修改的脉冲宽度(PW2)的修改第一光束，以输出一个第二光束，其具有第二能量、第二空间分布、以及第二时间分布的第二光束，而且通过多级放大器放大光束能量和修改光束分布，以输出一个出射光束；所述多级放大器放大光束能量和修改光束分布包括：通过第一级放大器放大和修改所述第二光束，以输出具有第三能量和第三时间分布的第三光束；以及通过第二级放大器放大和修改所述第三光束，以输出具有第四能量和第四时间分布的第四光束，其中所述第四光束基本上将所述脉冲宽度(PW1)或所述经修改的脉冲宽度(PW2)保持在所述定义容差内。
附图说明
附图结合在说明书中并构成说明书的一部分，示出了各种示例性系统，并且仅用于示出各种示例性方面。在附图中，相同的元件具有相同的标号。
图1A是用于激光喷丸处理的脉冲激光光束产生和调节的装置的示意图。
图1B是用于对目标部件进行激光喷丸处理的脉冲激光光束产生和调节的示例方法。
图2是一种示例二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器的示意图。
图3是一种DPSSL振荡器示例输出的曲线图。
图4是描述DPSSL振荡器的可变脉宽电流和衰减特性的曲线图。
图5是描述DPSSL振荡器的可变脉宽电流和功率特性的曲线图。
图6是对激光束示例时间修改的曲线图。
图7是示例滤光器的示意图。
图8是对激光束的示例空间分布修改的曲线图。
图9是示例放大器的示意图。
图10是示例光束传送装置和激光喷丸单元的示意图。
具体实施方式
图1A示出了用于激光喷丸处理的示例设备100。设备100可操作以产生脉冲激光光束并将其输出到目标部件101，用于对目标部件101进行激光喷丸处理。
用于产生脉冲激光光束的设备100可以包括DPSSL振荡器102，其配置为产生并输出具有与控制器140的电流设置(例如基于查找表LUT141)选择相对应的预定义光束特性的脉冲激光光束，其中控制器140响应于电流设置选择，控制电流源142输出电流143(或校正电流)以调谐DPSSL振荡器102以生成具有在定义容差内的脉冲宽度PW1(例如，12-30纳秒)、第一能量、第一空间分布(基本上为高斯的，参见图3和6)和第一时间分布的第一光束108。滤光器112可以配置在DPSSL振荡器102之后，用第二时间分布修改接收到的具有经修改的脉冲宽度的经修改的第一光束110，以输出具有第二能量、第二空间分布(平顶形状，参见图8)和第二时间分布的第二光束118。多级放大器106配置为在光束能量放大和光束分布修改之后输出一个出射光束126。多级放大器106可包括至少第一级放大器901(参见图9)，配置为放大和修改第二光束118以输出具有第三能量和第三时间分布的第三光束915；以及第二级放大器902，配置为放大和修改第三光束915以输出具有第四能量和第四时间分布的第四光束941，其中，第四光束941基本上将脉冲宽度(PW1)或经修改的脉冲宽度(PW2)保持在定义容差内。
设备100还可以包括第一光隔离器114和第二光隔离器120以及第一对波片116和第一偏振片115，以及第二对普克尔盒104和第二偏振片117、光束传送装置122和激光喷丸单元124。第二光隔离器120可以将经修改放大的光束126从放大器106传送到光束传送装置122，光束传送装置122可以将经修改放大的光束126传送到激光喷丸单元124。根据应用的需要，波片116可以是半波片或四分之一波片。
第一对波片116和第一偏振片115可以设置在DPSSL振荡器102的输出端，其中，第一对波片116和第一偏振片115可以配置为相对于第一光束108旋转一定量的偏振角，以衰减第一光束108的第一能量，以生成不超过限定第一能级的经衰减的第一光束109，这对系统是安全的。该衰减的第一光束109不超过限定的偏振角。因此，经衰减的第一光束109可以保留绝大多数光束特性，例如第一光束108的脉冲宽度(PW1)、光束直径d1和时间分布。
第二对普克尔盒104和第二偏振片117可以设置在第一对波片116和第一偏振片115之间，还包括有滤光器112，其中第二对普克尔盒104和第二偏振片117可以被配置为通过允许或阻止第一光束108或经衰减的第一光束109离开普克尔盒104，对来自第一偏振片115的第一光束108或经衰减的第一光束109执行纳秒持续时间切换，其中出射光束是具有经修改的脉冲宽度(PW2)和第二时间分布的经修改的第一光束。
在一个实施方式中，普克尔盒104可以包括含有硼酸钡(BBO)或磷酸二氘钾(KD*P)之一的晶体材料。在普克尔盒104包括含有KD*P的晶体材料的情况下，普克尔盒104还可以配置为执行对第一光束108或经衰减的第一光束109的前缘656进行脉冲切片(参见图6)(交替地对前缘656和后缘660进行脉冲切片)，以输出经修改的第一光束110，其具有小于12纳秒(通常为5-12纳秒)的经修改的脉冲宽度662(PW2，参见图6)，以及具有第二时间分布。
在一个实施方式中(参见图7-8)，从DPSSL振荡器102输出的第一光束108可以具有第一直径d1和翼部(878)，并且滤光器112可以包括：扩束器766，其配置为将第一光束108或经修改的第一光束110扩展到大于第一直径d1的直径d2；以及变迹器768，其配置为从扩束器766接收经扩展的第一光束或经扩展修改的第一光束770，以移除翼部878，以输出具有第二空间分布的第二光束118，该第二光束118具有平坦顶部881而没有翼部878。
在一个实施方式中，多级放大器106可以进一步包括：第三级放大器903，配置为放大和修改第四光束941，以输出具有第五能量和第五时间分布的第五光束959；以及第四级放大器904，配置为放大和修改第五光束959以输出具有第六能量和第六时间分布的第六光束或出射光束126。
在一个实施方式中(参见图10)，从多级放大器106到光束传送装置122的出射光束126可以具有近场值和测量值，并且激光束传送装置122可以包括真空继电器成像模块(VRIM)1091，其配置为保持出射光束126的近场值和测量值，并且将出射光束126传送到目标部件101。
设备100可以包括一个反馈机构，用于监测光束特性以检测光束稳定性(例如脉冲宽度、光束直径、能级等)，以及调整某些光束设置(例如电流设置、波片和偏振片旋转角度、普克尔盒偏置电压、放大器增益等)，以确保脉冲激光光束在规定的性能矩阵内工作。在一个实施方式中，光束检测器130(包括光电检测器和高速示波器131)可以耦合到第一偏振片115和第二偏振片117以及设置在多级放大器106之后的光束传送装置122中的一个或其组合，用于监测光束脉冲宽度、光束直径和能级中的一个或其组合。
光束检测器130可以从监测过程中生成误差信号128，作为反馈信号发送回控制器140。如果误差信号128的幅度超过定义误差范围，则误差信号128可以使控制器140执行以下的一个或组合：配置电流源142以输出校正电流143，以调谐DPSSL振荡器102以抵消脉冲宽度的误差信号，直到脉冲宽度(PW1)根据电流设置保持在定义容差内；配置第一对波片116和第一偏振片115，相对于第一光束108旋转一定量的校正偏振角144，以增加或减少第一光束108的第一能量的衰减，从而保持在限定的第一能级内；将普克尔盒104配置为接通或断开，或将经修改的脉冲宽度(PW2)调整一定量145以保持在定义容差内；以及通过校正增益信号146配置多级放大器106，以调整光束能量放大和光束分布修改中的一个或其组合，使其保持在限定的输出能级和限定的光束分布内。
在一个实施方式中，设备100可以包括设置在DPSSL振荡器102和波片116之间的第一隔离器114，以及设置在多级放大器106和光束传送装置122之间的第二隔离器120，其中第一隔离器114和第二隔离器120可以防止光束在相反方向上反射。
图1B示出了一种用于通过设备100对目标部件进行激光喷丸的脉冲激光光束生成和调整的示例方法160。该方法160包括使用控制器140，该控制器140可以是具有至少一个处理器(PROC 148)的通用控制器，该处理器执行存储在存储器(MEM 147)中的算法代码，以执行对电流源142、波片116、普克尔盒104和多级放大器106(参见图1A)中的一个或其组合的控制，从而在设备100中执行前述功能。
方法160可以包括步骤162，其中，装置100中的DPSSL振荡器102生成具有对应于存储在控制器140中的电流设置选择(例如，从查找表LUT141)的预定义光束特性的脉冲激光光束。响应于电流设置选择，控制器140可以控制电流源142输出电流143(或校正电流)以调谐DPSSL振荡器102以产生具有在定义容差内的脉冲宽度(PW1)、第一能量、第一空间分布和第一时间分布的第一光束108。
在步骤170中，在DPSSL振荡器102之后的滤光器112，可以执行修改接收到的具有经修改的脉冲宽度(PW2)和第二时间分布的经修改的第一光束110，以输出具有第二能量、第二空间分布(平顶形状，参见图8)、第二时间分布的第二光束118。
在步骤172中，多级放大器106可以执行放大光束能量和修改光束分布以输出一个出射光束126，放大和修改包括：通过第一级901放大和修改第二光束118，以输出具有第三能量和第三时间分布的第三光束915；通过第二级902放大和修改第三光束915，输出具有第四能量和第四时间分布的第四光束941(其可以是出射光束126)，其中第四光束941基本上将脉冲宽度(PW1)或经修改的脉冲宽度(PW2)保持在定义容差内。在一个实施方式中，步骤172可以包括通过附加的放大器执行进一步的能量放大和光束时间分布修改。例如，多级放大器106还可以包括：第三级放大器903，被配置为放大和修改第四光束941以输出具有第五能量和第五时间分布的第五光束959；以及第四级放大器904，被配置为放大和修改第五光束959以输出具有第六能量和第六时间分布的第六光束作为出射光束126。
在步骤174中，出射光束126可以由光束传送装置122传送到目标部件101以用于执行激光喷丸处理。实际上(参见图10)，从多级放大器106到光束传送装置122的出射光束126可以具有近场值和测量值，并且光束传送装置122可以包括VRIM1091，该VRIM1091配置为保持出射光束126的近场值和测量值，并将出射光束126传送到目标部件101。
在一个实施方式中，方法160可以包括附加步骤164，其中第一对波片116和第一偏振片115可以设置在DPSSL振荡器102的输出端，其中第一对波片116和第一偏振片115可以配置为相对于第一光束108的旋转一定量的偏振角以衰减第一光束108的第一能量，以生成不超过限定的第一能级的经衰减的第一光束109，这是对系统安全的。因此，经衰减的第一光束109可以保留绝大部分第一光束108的光束特性，例如脉冲宽度(PW1)、光束直径d1和时间分布。
在一个实施方式中，方法160可包括附加步骤166，其中第二对普克尔盒104和第二偏振片117可以设置在第一对波片116和第一偏振片115之间，还包括滤光器112，其中第二对普克尔盒104和第二偏振片117可以被配置成通过允许或阻止第一光束108或经衰减的第一光束109离开普克尔盒104，来对自第一偏振片115的第一光束108或经衰减的第一光束109执行纳秒持续时间切换，其中出射光束是具有经修改的脉冲宽度(PW2)和第二时间分布的经修改的第一光束。
在一个实施方式中，方法160可以包括执行对经衰减的第一光束109的前缘进行脉冲切片的附加步骤168。普克尔盒104可以包括含有以下的晶体材料中的一种:BBO或KD*P。在普克尔盒104包括含有KD*P的晶体材料的情况下，普克尔盒104还可以被配置为对第一光束108或经衰减的第一光束109的前缘656的至少一个翼部678执行脉冲切片(参见图6)(交替地对前缘656和后缘660进行脉冲切片)或对第一光束108或经衰减的第一光束109的至少一个翼部分678执行脉冲切片，以输出小于12纳秒(通常为5-12纳秒)的经修改的脉冲宽度662(PW2，参见图6)和具有第二时间分布的经修改的第一光束110。
在一个实施方式中，方法160可以包括在步骤165、169以及175中的一个或多个组合中执行反馈机制，以用于监测光束特性以检测光束稳定性(例如光束脉冲宽度、光束直径、能级等)和调整某些光束设置(例如电流设置、波片和偏振片旋转角度、普克尔盒偏置电压、放大器增益等)，以确保脉冲激光光束在规定的性能矩阵内工作。在一个实施方式中，光束检测器130(包括：光电检测器和高速示波器131)可以耦合到第一偏振片115、第二偏振片117和设置在多级放大器106之后的光束传送装置122的一个或其组合，用于监测光束脉冲宽度、光束直径和能级中的一个或其组合。
光束检测器130可以从监测中产生误差信号128，作为反馈信号发送回控制器140。如果误差信号128的幅度超过定义误差范围，则误差信号128可以使控制器140执行以下的一个或组合：配置电流源142以输出校正电流143，以调谐DPSSL振荡器102以抵消脉冲宽度的误差信号，直到脉冲宽度(PW1)根据电流设置保持在定义容差内；配置第一对波片116和第一偏振片115，相对于第一光束108旋转一定量的校正偏振角144，以增加或减少第一光束108的第一能量的衰减，从而保持在限定的第一能级内；将普克尔盒104配置为接通或断开，或将经修改的脉冲宽度(PW2)调整一定量145以保持在定义容差内；以及通过校正增益信号146配置多级放大器106，以调整光束能量放大和光束分布修改中的一个或它们的组合，使其保持在限定的输出能级和限定的光束分布内。
方法160可以包括在DPSSL振荡器102和波片116之间设置第一隔离器114，以及在多级放大器106和光束传送装置122之间设置第二隔离器120，用于防止光束在相反方向上反射。
参考图2，示出了DPSSL振荡器102的示意图。DPSSL振荡器102可以包括光学腔228、光学腔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用光和能量233泵浦增益介质230以生成脉冲激光第一光束108。振荡器102还可以包括种子注入器234，以及可变光阑/限制孔238，种子注入器234被配置为将种子激光光束236输出到光学腔228中以帮助稳定第一光束108。
增益介质230可以是直径为2mm(Nd：YLF)的激光棒，并且可以是可由一个或多个激光二极管(即二极管阵列)232光学泵浦的固体增益介质。增益介质230可以是单晶或玻璃材料，并且可以掺杂有三价稀土离子或过渡金属离子。一方面，在振荡器102中使用的激光棒230可以掺杂钕(Nd3+)。增益介质230可以是掺钕(Nd：YLF)的合成钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12)，也称为“YAG”。另一方面，增益介质230可以是掺钕(Nd：YLF)的合成氟化钇锂(YLiF4)晶体，或者“YLF”。由(Nd:YLF)激光棒230生成的第一光束108可以具有1053nm的波长。YLF晶体可以生成具有更好光束质量的激光束，具有更长的寿命，并且允许提取更长的光束脉冲宽度，这可以允许设备100的更小设计。YAG和YLF晶体都可以使用已知的方法生长，例如直拉法。晶体可以生长成各种几何形状和构造，以便改变增益介质的因素，例如增益和能量存储。
激光二极管阵列232可以用光能233泵浦增益介质230以用于增益介质230的放大。一方面，激光二极管阵列232包括由9个二极管条的阵列，来泵浦增益介质230以生成10mJ(毫焦耳)激光输出108。例如，激光二极管阵列232可以具有约6000W的QCW(准连续波)功率输出，并且以约57％的电-光效率在约15A的电流下操作。例如，激光二极管阵列232可具有约60V的工作电压。一方面，激光二极管阵列232发射波长约805.5±2nm的电磁辐射；另一方面，激光二极管阵列232发射波长在约750nm至约900nm之间的电磁辐射。一种通用控制器(UCC)242可用于通过激光二极管232控制对增益介质230的泵浦。具体地，UCC242可以控制激光二极管232的定时，使得当第一光束108穿过增益介质230时，激光二极管232仅泵浦增益介质230，以优化第一光束108的增益和放大。
振荡器102还可以包括被配置为生成脉冲激光光束108的调制器240(即，Q开关)。一方面，Q开关240用于生成脉冲宽度在纳秒范围内的第一光束108。用于设备100的UCC242可以将触发信号243馈送到Q开关240以控制第一光束108的生成和生成频率。一方面，约20Hz的重复率用于激光喷丸应用的脉冲生成。在另一个方面，在约25Hz和约30Hz之间的重复率被用于产生脉冲。在另一个方面，约50Hz或更高的重复率被用于生成脉冲。重复速率可以改变并由用户选择，使得可以使用比20Hz基本速率慢的重复速率。例如，考虑20Hz、19Hz、18Hz、17Hz、16Hz、15Hz、14Hz、13Hz、12Hz、11Hz、10Hz、9Hz、8Hz、7Hz、6Hz、5Hz、4Hz、3Hz、2Hz和1Hz的重复频率。对于本文所述的振荡器102上的Q开关光学腔228，可以考虑例如20Hz、10Hz，6.67Hz、5Hz、4Hz、3.33Hz、2.857Hz、2.5Hz、2.22Hz、2Hz和1Hz的重复频率。这些示例频率通过以下步骤来创建：选择每个脉冲以实现20Hz的频率，选择每个第二脉冲以实现10Hz的频率，选择每个第三脉冲以实现6.67Hz的频率，等等。
如图2所示，光学腔228还可以包括第一反射镜244和第二反射镜246。当光束108从振荡器102输出时，反射镜244和246反射由光学腔228内的增益介质230发射的相干光以放大光束108。压电转换器248可以安装到第二反射镜246上。
种子注入器234可以配置为将种子激光束236输出到光学腔228中，以帮助稳定第一光束108。种子注入器234可以是单纵模(SLM)光纤激光器，其将种子激光光束236注入光学腔228中，以在光学腔228内生成单纵模的第一光束108。
种子注入器234可以包括种子控制器252。种子控制器252可以与设备100的UCC控制器242接口，用于控制种子重置功能。种子控制器252也可用于控制PZT248的位置，从而控制第二反射镜246的位置。反馈线路254将PZT248连接到种子控制器252。输出线路256将种子控制器252连接到PZT248。
在使用中，可以经由输出线路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PZT248的位置。PZT248基于其位置向反馈线路254输出电压，该位置对应于其当前位置和第二反射镜246的当前位置。种子控制器252可以调节第二反射镜246的位置，以控制第一光束108在光学腔228内的相移，并相对于单一纵向模式(SLM)保持第一光束108的所需相位。换言之，种子控制器252可以控制PZT248和第二反射镜246的位置，以将第一光束108保持在SLM中。
PZT248具有起始位置。PZT248的起始位置发生在设备100的启动期间和从种子控制器252向PZT248发送种子重置信号之后。当振荡器102生成并输出光束108时，PZT连续地调整并移动到远离其起始位置的新位置，以将随后的光束108保持在SLM中。种子控制器252可以存储与可产生SLM第一光束108的PZT248的位置对应的参考电压。将参考电压与来自PZT248的电压进行比较，该电压对应于PZT248相对于起始位置的当前位置。如果比较值的差值落在预定范围之外，则种子控制器252可以经由输出线路256发送PZT控制信号，以调整PZT248和第二反射镜246的位置。经过一段时间，PZT248将达到移动极限，此后，PZT248将不再移动，以调整第二镜子246的位置。此时，种子控制器252执行“种子重置”以使PZT248返回到其起始位置。种子控制器252通过输出线路256向PZT248发送重置信号，并且在接收到种子重置信号时，PZT248从其当前位置移动到起始位置。
种子控制器252也可用于控制何时执行PZT248的重置。种子的一个问题可能是PZT248的重置可能自动发生，并且可能在全系统激光发射期间发生。种子的手动控制可被修改并集成到种子控制器252和UCC控制器242中，以便预测对种子重置的需要，并在适当时执行种子重置。
如图2所示，振荡器102还可以包括可变光阑/限制孔238。可变光阑238可以包括孔径开口，以在激光束108从振荡器102输出之前使激光束108通过。可变光阑238上孔径的大小可以调节从振荡器102输出的光束108的量。光束108穿过可变光阑238来产生TEMoo单横模的光束。
如本文所述，“单横模”(STM)意味着振荡器102工作在单个横向谐振器模式，通常是高斯模式，使得激光束108的质量受到衍射限制，使得光束108可以聚焦到非常小的光斑。这里，横向谐振器模式将是横向电磁模式(TEM)模式，使得在光束传播方向上既不存在磁场，也不存在电场。“单纵模”(SLM)是指单频率和单波长的纵向光束。激光系统中的主要噪声源可以是泵浦源232的波动、光学腔228的长度变化或光学腔228的对准。通过将从振荡器102输出的光束108限制到STM和SLM，可以消除光束108中的噪声。因此，振荡器102可操作地输出STM和SLM模式的脉冲激光光束108。
光束均匀性是光束分布测量，表示在光束108的中心90％或以上的能量密度对于其平均值的归一化RMS(均方根)偏差。在中心90％以外的数据不包括在RMS计算中。一方面，从振荡器102输出的脉冲激光光束108的光束均匀性小于约0.2。
光束质量由M2值给出，被称为光束质量因子。M2数值用于量化实际光束108和理想光束之间的变化程度。对于单横模，TEMoo高斯激光束，M2精确地是1.0。一个方面，振荡器102输出M2值约为1.2或更小的光束108。另一方面，振荡器102输出M2值小于约1.3的光束108。另一方面，振荡器102输出M2值小于约1.5的光束108。SLM光束108可具有约1pm的光谱宽度。修饰语“基本上”在这里多次使用。无论是显式的还是非显式的，术语“单横模”和“单纵模”应当被理解为“基本上单一的横向模式”和“基本上单一的纵向模式”，参照M2描述。这种与理想值的偏差对于本领域普通技术人员来说是容易理解的。
除了以STM和SLM模式的出射光束之外，从振荡器102输出的脉冲激光光束108可以具有大约10mJ到大约20mJ的第一能量，具有直径高达约4mm的第一光束直径，具有第一时间分布(例如，高斯形状)，并且具有第一空间分布(例如，高斯形状)。
参照图1A，调制器104可以从振荡器102接收脉冲激光光束108。调制器104可以是脉冲剪切器，用于锐化脉冲激光光束108的前缘和/或后缘，以修改脉冲激光光束108的时间分布，以及输出具有第二能量、第一直径、第二时间分布和第一空间分布的经修改的光束110。
一方面，脉冲剪切器104是用于改变激光光束108的时间分布的SBS单元。另一方面，脉冲剪切器104是用于改变激光光束108的时间分布的普克尔盒。
调制器104可以包括晶体材料，例如BBO或KD*P，脉冲激光光束108穿过该晶体材料。一方面，脉冲剪切器104包括BBO材料，以对光束108提供更快地脉冲切片。一方面，脉冲剪切器104修改激光脉冲108的前缘。另一方面，脉冲剪切器104修改激光脉冲108的前缘和后缘。脉冲激光光束108可以被切片，并作为具有上升时间小于约5ns的经修改的光束110输出。一方面，经修改的光束110的上升时间小于3ns。另一方面，经修改的光束110的上升时间小于约2ns。一方面，将光束108的脉冲宽度被调节到大约5ns到16ns之间，以作为经修改的光束110输出。在另一个方面，光束108的脉冲宽度被调节到大约8ns到16ns之间，以作为经修改的光束110输出。另一方面，修改光束110的脉冲宽度小于或等于约5ns。短的上升时间提供了产生更好的激光冲击喷丸结果的激光光束。
图3示出了作为来自DPSSL振荡器102的正常输出的第一光束108的时间分布示例。第一光束108显示了高斯形状的时间分布，其可以在种子重置操作之间从振荡器102输出，而对第一光束108没有实质性影响。
图4示出了在不同脉宽范围内的电流设置和波片116旋转设置。图5示出了示出了在不同脉宽范围上的能量和功率(在放大之前)关系的测量曲线图。图4和5的曲线图可以存储在查找表(LUT141)中，该查找表可用于可编程设置，并且可以用作参考数据，以与由光束检测器130检测到的测量值进行比较，从而产生用于反馈机制的误差信号128。
例如，图4示出了从85至约68安培的电流范围之间脉冲宽度调节的较快速变化。在68安培以下，变化较温和。图5示出了第一束108可以在大约17-18纳秒的脉冲宽度处达到能量峰值。在图4和5中，波片116的旋转在13-18纳秒之间的脉冲宽度范围内可以呈现出衰减变化最小的相对线性区域，并且能量衰减在超过18纳秒的脉冲宽度时更快。
参照图6，示出了经修改的光束110的时间分布600。如上所述，如图中示出的，来自振荡器102输出的脉冲激光第一光束108的时间分布在外观上基本上是高斯的。当第一光束108被包含KD*P晶体的普克尔盒104修改为经修改的第一光束110时，前缘656可以被包含KD*P晶体的普克尔盒104切断，以产生激光脉冲的更尖锐的前缘658。激光脉冲的尖锐前缘658可以为经修改的第一光束110提供更快的上升时间。激光脉冲后缘的660也可以被包含KD*P晶体的普克尔盒104切断，以改变经修改的第一光束110的脉冲宽度662。
参照图1A，经修改的第一光束110可以从含KD*P晶体的普克尔盒104输出，而且穿过光隔离器120。一方面，光隔离器120是法拉第隔离器，其在向前的方向上透射经修改的第一光束110，同时阻挡相反方向的光，例如来自设备100中的部件的光学表面或来自目标部件101的反射激光能量。光隔离器120可用于保护振荡器102和包含KD*P晶体的普克尔盒104，使其不受经修改的光束110与设备100中其它部件间相互作用的影响，以限制和防止反向反射，也就是说，防止和限制从其它部件反射的光向后穿过光隔离器120并损坏振荡器102和包含在普克尔盒104中的KD*P晶体。在一个方面，法拉第隔离器120被配置为通过具有第一光束直径d1高达约4mm的经修改的第一光束110。
波片116可以是例如半波片(λ/2片)，用于旋转线偏振激光脉冲的偏振态，例如第一光束108。当激光脉冲与设备100的光学部件相互作用时，激光脉冲的偏振状态可能改变。波片116可用于通过旋转第一偏振片115、第一光束108的偏振态来微调装置100，使通过装置100的脉冲能量传输达到最佳。通过第一对波片116和第一偏振片115的旋转可以输出经衰减的第一光束109，其具有用于放大的最佳能级。在另一个实施方式中，可以将附加的波片添加到设备100中，以优化通过设备100中光学部件的激光脉冲传输。所用的附加波片可以与图1A所示的波片116相同，或者它们可以是不同的。例如，这种不同的波片可以是四分之一波片(λ/4片)。
滤光器112可以从设置在波片116之后的第二偏振片117接收经修改的第一光束110，并且滤光器112可以进一步将经修改的第一光束110从具有第二能量、第二时间分布和第一空间分布，修改为具有第二能量、第二时间分布和第二空间分布的第二光束118，并输出第二光束118。
参照图7，示出了示例性滤光器112的示意图，该示例性滤光器112可以包括扩束器766和光束整形元件768。扩束器766可用于增大经修改的第一光束110的直径，该直径大于由振荡器产生的第一光束108的第一直径d1。通过用扩束器766增大经修改的第一光束110的直径d1，经扩展修改的第一光束770可能溢满光束整形元件768上的孔772。一方面，光束整形元件768是变迹器。变迹器768可以包括具有喷砂或锯齿边缘774的孔772。通过用扩束器766扩展经修改的第一光束110，并且经扩展修改的第一光束770溢满变迹器768，从而经扩展修改的第一光束770的翼部可被移除，以将具有第一空间分布的经修改的第一光束110进一步改进为具有更平顶、顶帽形外观的第二空间分布的第二光束118。其它光束整形装置可用于光束整形元件768。一方面，由德国柏林的Ad1optica Optical Systems GmbH制造的pi整形器
Figure BDA0003916693110000161
被用作光束整形元件768，以产生平顶(或pi形)的第二光束118。
参照图8，示出了第二光束118的示例性空间分布800。如图1A中所示，图1A中所示的脉冲激光光束108和经修改的第一光束110都可以具有基本上呈现如图8所示的高斯的第一空间分布。光束整形元件可用于从光束中心部分876产生基本上呈顶帽形的平顶光束。在移除翼部878之后，当具有平顶中心部876的第二光束118穿过放大器时，基本上呈顶帽形的平顶光束的圆形部880可以继续变平，如虚线881所近似的。
参照图1A，具有第二能量、第二时间分布和第二空间分布的第二光束118可以从滤光器112输出并输入到多级放大器106，以放大第二光束118。放大器106可以输出经放大修改的出射光束126。一方面，从振荡器102输出的脉冲激光第一光束108具有第一能量、第一光束直径d1、第一时间分布，以及第一空间分布，同时，从多级放大器106输出的经修改放大的出射光束126的能量大于第一能量，光束直径d2大于第一光束直径d1，时间分布不同于第一时间分布，空间分布不同于第一空间分布。
参考图9，示出了示例性的多级放大器106。如图9所示，放大器106具有四个放大级放大器901、902、903和904。如这里所示，第二光束118可以进入第一放大级放大器901，并且修改和放大的出射光束126可以从第四放大级放大器904输出。
第二光束118可以被输入到第一放大级放大器901上的输入905中，并通过光隔离器907。从光隔离器907，第二光束118可以进一步穿过VRIM909，该VRIM909聚焦第二光束118，然后将第二光束118重新准直到增大的直径d3，之后在将经准直的光束911输出到放大器模块913。放大器模块913可放大准直光束191并将放大的第三光束915输出到第一放大级放大器输出端917。
光隔离器907可以与上述光隔离器114或120起类似地作用。光隔离器907可以是法拉第隔离器，该法拉第隔离器在向前行进的方向上透射第二光束118，同时阻挡来自第二光束118的反向散射光和其它反向能量。一方面，光隔离器907用于保护设备100的上述部件，在第二光束118通过光隔离器907之后，免受来自第二光束118的反向能量的影响。光隔离器907可以提供光束直径高达约8mm的第二光束118通过的通道。
第二光束118可以穿过隔离器907并被输入到VRIM909。VRIM909可以聚焦并重新准直第二光束118，并输出经准直的光束911。VRIM909可包括第一透镜921、真空管923和第二透镜925。第二光束118进入VRIM909并穿过第一透镜921，第一透镜921使第二光束118在真空管923内部中心附近聚焦而穿过。当第二光束118离开真空管923时，第二光束118被第二透镜925重新准直。经准直的光束911从VRIM909输出，具有减小的光束强度和大于脉冲激光第二光束118的第二光束直径d2的第三光束直径d3。VRIM909将第二光束118中继到较大的第三直径d3经准直的光束191中。真空管923用于防止第二光束118在焦点处被空气击穿。第二光束118的空气击穿将导致光束质量和光束能量的损失。
VRIM909可以保持第二光束118的空间分布，同时增加第二光束118的尺寸以最佳地填充放大器模块913的增益介质927。最佳地填充增益介质927优化了放大器模块913对准直光束191的放大。
光束911进入放大器模块913的增益介质927。放大器模块913包括增益介质927和泵浦源929。泵浦源在光束穿过增益介质927时光学地泵浦光束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穿过激光棒927时，光束911被放大，并作为放大的第三光束915输出。一方面，激光棒927的直径约为5mm。另一方面，激光棒927的直径约为4-6mm。另一方面，激光棒927的直径约为3-7mm。增益介质927可以具有大约80％的填充因子--即大约80％的增益介质区域将由光束911填充。通常，具有较大填充因子的增益介质将具有较高的增益，并且可以提取存储在增益介质中的较多能量。一方面，激光棒927具有85％的填充因子。
具有放大器模块913的第一放大级901可以用作小前置放大器，以放大在输入端905输入的第二光束118的能量，并在输出端917输出放大的第三光束915。在给定的示例中，经放大的光束915可以具有大约40mJ到100mJ的第三能量、大约4.5mm的第三光束直径d3、第三时间分布和第三空间分布。
经放大的第三光束915可以被输入到第二放大级放大器902上的输入端931中。第二放大级放大器902可以类似于第一放大级放大器901，并且包括VRIM933，以及具有增益介质937和泵浦源939的放大器模块935。放大光束941可以从放大器模块935输出到第二放大级输出端943。
VRIM933在操作上可以与VRIM909类似，并且包括透镜和真空管，以聚焦放大的光束915，重新准直第三光束915，并输出准直光束945。VRIM933防止放大光束915的击穿，并增大放大第三光束915的直径d3，以增大增益介质937上的准直光束945的填充因子。VRIM933的透镜可以具有比VRIM909中的透镜921和923更大的直径(即，具有更高能量和更大光束直径的光束，例如放大光束915，可以使用较大直径的透镜)，并且VRIM933中的真空管的长度可以比VRIM909中的真空管923长。通常，用于VRIM的透镜尺寸和VRIM中的真空管的长度随着光束能量和光束直径的增加而增加。VRIM933可以将放大光束915中继成像成具有一定直径的准直光束945，以向增益介质937提供大约80％到85％的填充因子。
类似于上述放大器模块913，放大器模块935可以包括增益介质937和泵浦源939。当增益介质937被泵浦源939泵浦时，光束945可以穿过增益介质937，以便在光束945作为放大的第四光束941从放大器模块935输出之前，放大光束945。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。一方面，激光棒937的直径约为9mm。另一方面，激光棒937的直径约为8-10mm。另一方面，激光棒937的直径约为7-11mm。具有放大器模块935的第二放大级放大器902可以用作小的前置放大器，以放大在输入端931输入的第三光束915的能量，并在输出端943输出放大的第四光束941。在给定的例子中，放大的第四光束941可以具有约1J的第四能量、约8.1mm的第四光束直径d4、第四时间分布和第四空间分布。
如图9所示，放大级放大器901和902可以在小信号增益范围内操作，这可以通过增益锐化进一步锐化光束的时间分布的前缘。当光束通过这些放大级放大器时，光束的脉冲宽度也可以变窄。
经放大的第四光束941可以被输入到第三放大级放大器903上的输入端947。第三放大级放大器903可以类似于先前的放大级放大器901和902，并且包括光隔离器949、VRIM951和具有增益介质955以及泵浦源957的放大器模块953。经放大的第五光束959可以从放大器模块953输出到第三放大级输出端961。
光隔离器949在操作上可以与上述光隔离器907类似。一方面，光隔离器949被配置成为直径最大约12mm的经放大的第四光束941提供通道。
VRIM951在操作上可以与上述VRIMs909和933类似，包括透镜和真空管，以聚焦放大的第四光束941，重新准直放大的第四光束941，并输出准直光束963。VRIM951防止在放大的第四光束941被聚焦之后的击穿，以及重新准直第四光束941，以增加放大的第四光束941的直径，从而增加准直光束963在增益介质955上的填充因子。VRIM951的透镜的直径可以大于VRIM909和933中的透镜的直径，并且VRIM951中的真空管的长度可以大于VRIM909和933中的真空管的长度。VRIM951可以将放大的第四光束941中继成像成具有一定直径的准直光束963中，以向增益介质955提供大约80％到85％的填充因子。
类似于上述放大器模块913和935，放大器模块953可以包括增益介质955和泵浦源957。在光束963作为放大光束959从放大器模块953输出之前，当增益介质955被泵浦源957泵浦以放大光束963时，准直光束963可以通过增益介质955。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。一方面，激光棒955的直径约为15mm。另一方面，激光棒955的直径约为14-18mm。另一方面，激光棒955的直径约为12-18mm。具有放大器模块953的第三放大级放大器903可以用作小放大器，以放大在输入端947输入的光束的能量，并在输出端961处输出第五放大光束959。在给定的示例中，经放大的光束959可以具有约4.3J的第五能量、约13.5mm的第五光束直径d5、第五时间分布和第五空间分布。
经放大的第五光束959可以被输入到第四放大级放大器904上的输入端965。第四放大级放大器904可以类似于先前的放大级放大器901、902和903，并且包括VRIM967、波片969和具有增益介质973和泵浦源975的放大器模块971。经放大的出射光束126可以从放大器模块971输出到第四放大级输出端977。
VRIM967在操作上可以与上述VRIM909、933和951类似，包括透镜和真空管以聚焦放大的第五光束959，重新准直放大的第五光束959，并输出准直光束979，VRIM967防止放大的第五光束959的击穿，并重新准直放大的第五光束959以增加放大的第五光束959的直径，从而增加出射光束979在增益介质973上的填充因子。VRIM967的透镜可以具有比VRIM909，933和951中的透镜更大的直径，并且VRIM967中的真空管的长度可以比VRIM909、933和951中的管更长。VRIM967可以将放大的第五光束959中继成像成具有一定直径的准直光束979中，以向增益介质973提供大约80％到85％的填充因子。
类似于上述放大器模块913、935和953，放大器模块971可以包括增益介质973和泵浦源975。当增益介质973被泵浦源975泵浦以放大从放大器模块971输出的光束979时，准直光束979可以穿过增益介质973，作为放大的出射光束126。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。一方面，激光棒973的直径约为25mm。具有放大器模块971的第四放大级904可以用作放大器，以放大在输入端965处输入的光束的能量，并在输出端977处输出经放大的出射光束126。一方面，第四放大级放大器904包括一个放大器模块971。另一方面，第四放大级放大器904包括一个或多个放大器模块971。在给定的例子中，放大的出射光束126可以具有大约7J到13J的第六能量、大约20mm到25mm的第六光束直径d6、第六时间分布和第六空间分布。从放大器106输出的放大出射光束126可以是经修改放大的光束。
穿过放大器106的光束的特性可能由于光束的放大而改变。例如，当光束被放大时，通过放大器106中的光学元件可以增加光束直径，以更有效地填充每个增益介质(例如，激光棒)，其可以提供从增益介质输出的最优化放大激光，同时也充分利用放大器106内某些部件的能力。
当光束通过放大器106时，光束直径可以增大，以匹配增益介质尺寸(例如，激光棒直径)，例如，在相应的放大级放大器901、902、903和904中使用的激光棒927、937、955和973。当光束能量在整个放大器106中增加时，如果光束直径保持太小，则对放大器106内的光学部件造成损坏的风险增加。增益介质上的功率密度可以通过随着光束能量的增加而增加光束尺寸，从而保持在损伤阈值之下。
由于光束的放大，穿过放大器106的光束的其它特性可能改变。例如，当光束被放大时，光束的时间分布的前缘可以被锐化。
如图2所示，UCC控制器242可用于控制放大模块913、935、953和971的定时，如图9所示。具体地，UCC控制器242可以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，以优化通过增益介质的光束的放大。这样，可以控制穿过放大器模块的光束的放大。
参照图1A，在出射光束126从放大器106输出之后，光隔离器120可以用来防止出射光束126一旦穿过光隔离器120就与设备100的现有光学部件相互作用。例如，一旦出射光束126穿过光隔离器120，光隔离器120就防止来自出射光束126的反向散射光与从振荡器102到设备100中的放大器106的任何现有光学部件相互作用。一方面，光学隔离器120是法拉第隔离器，并且可以允许直径高达约35mm的光束126通过。
附加元件可以与设备100一起使用，以将经修改放大的激光出射光束126传送到目标部件101，用于激光喷丸应用。出射光束126可以穿过光隔离器120并到达光束传送装置122，以便单独传送到目标部件101，或者传送到包含在喷丸单元124中的目标部件101。
如图10所示。光束传送装置122可以包括一个或多个反射镜1081，一个或多个光缆1083和多轴铰接臂1085。光束传送装置122可包括聚焦光学器件1087，以将较大尺寸的出射光束126聚焦成约2-3mm的较小光斑尺寸，用于激光喷丸应用。一方面，光束传送装置122的聚焦光学器件1087将出射光束126的光斑大小聚焦并调节到约3mm和8mm之间。光束传送装置122还可以包括附加的安全装置，例如快门1089，以阻止出射光束126进入光束传送装置122，除非传送装置122被定位成将光束126输送到目标部件101或喷丸单元124。附加的VRIM组件1091可以与光束传送装置122一起使用，以保持从放大器106输出的经修改放大的出射光束126的近场值和测量值。一方面，VRIM1091用于将光束126中继成像至目标部件101。
激光喷丸单元124可包含待激光喷丸的目标部件101。机器人操纵系统1093可适于操纵光束传送装置122以改变光束传送装置的位置，从而改变从传送装置122输出到目标部件101的出射光束126的位置。机器人操纵系统1093也可用于将部件引入到激光喷丸单元124和从激光喷丸单元124引入部件。激光喷丸单元124可以提供不透光的环境，以将来自出射光束126的危险激光限制在激光喷丸单元124内。激光喷丸单元124可以配备有附加的选项，例如照明，一种用于去除在激光喷丸处理期间产生的流出物和碎屑的空气过滤系统和排空系统，以及用于机器人1093将部件移入和移出激光喷丸处理单元124的接口1095(即，入口/出口)，以及其它安全系统。一方面，激光喷丸单元124的尺寸可以为约4.5m×4.5m×3.0m(高度)，以允许机器人1093操纵其中较大的目标部件。激光喷丸单元124可以包括目标隔离系统1096，例如光隔离器，以防止从目标部件101反向散射的激光能量进入传送装置122或设备的其它光学元件。一方面，激光喷丸单元124可任选地包括不透明覆盖施加器1097，以施加不透明的覆盖。覆盖到目标部件101上，以及透明覆盖物施加器1099，用于将透明覆盖物施加到目标部件101上。不透明覆盖层和透明覆盖层可以被施加到目标部件101上，使得在激光喷丸处理过程中，经放大修改的光束126接触目标部件101上的不透明和透明覆盖层。
一方面，经修改放大的光束126的近场值包括约7-13J的能量、高达约16ns的脉冲宽度、200W的平均功率和至少3mm的光斑尺寸。在这个方面，设备100以20Hz的重复频率产生了具有这些参数的经修改和放大的光束126。
另一方面，经修改和放大的光束126的近场值包括约5J至约10J的能量、平均功率为约5W至约200W、光束均匀度小于约0.2(20％)、光束聚焦到约3mm至约8mm的光斑尺寸。在这个方面，设备100的振荡器102可以在振荡器中产生光束质量小于约1.3M2的光束，并且具有这些参数和初始光束质量的光束可以以在大约1Hz和20Hz之间的可变重复率产生，例如，根据目标部件101的表面，可选的是“动态”可变的。
另一方面，在最终聚焦光学器件1087和目标部件101之间可以有大约5-10m的工作距离。大的工作距离可以将设备100的光学部件与LSP过程中产生的碎屑和流出物充分隔开。
本文所述的，可能使用到存储在计算机可读介质上的机器人控件、控制系统和指令集，当执行时，可以执行本文所述的示例性方法。例如，机器人可用于操纵目标部件并将脉冲激光光束导向目标部件上的不同位置。机器人可用于将目标部件移入和移出进行激光喷丸处理的激光喷丸单元。一种机器人可以成批地移动部件，以便高效地进行激光喷丸。机器人可以与控制系统接口以操纵用于激光喷丸的部件；也就是说，机器人可以控制部件的定位，使得部件可以被定位以接收用于激光喷丸处理的透明覆盖物和激光脉冲。机械臂可以重新定位同一零件，以便在该零件上进行后续的激光喷丸。一方面，机器人以约20Hz的速率重新定位，同一零件，以便在该零件上进行后续的激光喷丸。在另一个方面，机器人具有的位置重复性精度小于0.2mm左右。另外，机器人可用于与工具或传感器交互，为系统调整或校准产生反馈。如图10所示，诸如机器人臂1093之类的机器人可以装备有光束传送装置122的部件，使得机器人1093和光束输送装置122可以相对于固定部分101重新定位，以将激光脉冲输送到目标部件101，用于激光冲击喷丸。这样，机器人可以控制目标部件101相对于出射光束126的位置，或者控制出射光束126相对于目标部件101的位置。
一种用于LSP过程的设备可以与一个或多个控制器连接，用于控制该设备的功能。控制器可以自动地进行校准或调整，或者可以存在一个用户界面，供用户与设备的控制界面连接。对于自动控制，当光束行进通过该装置时，可以使用各种传感器来收集各种光束参数。传感器读数可以是实时采集的，也可以是间隔采集的，并用作设备控制的反馈。例如，可以在设备内以规则的间隔进行温度测量，以确保设备在指定的温度范围内工作。可以测量和监测一个或多个脉冲的脉冲能量、脉冲宽度和空间分布，并且当测量值落在用户选择的范围之外时，控制系统可以调整设备的部件，使得测量值可以落在用户选择的范围之内。
与激光束参数相关的数据可以从设备内部和从光束传送路径(例如，作为来自光学部件的部分反射或通过反射镜的能量泄漏)获取。可以周期性地采集机数据，并对目标数据进行交叉校准，以确保激光喷丸处理条件在用户选择的公差之内。
光束位置和光斑大小具有非常严格的公差，可以通过在光束路径中的照相机来确定。可以使用相机来捕获光束图像，并且可以将从光束图像中提取的参数与理想参数进行比较。例如，如果光束位置不是如由理想位置参数所指示的那样居中，则可以自动地调整反射镜以将光束移动到更接近由理想参数所限定的位置。调节光束的移动可以以小的增量进行，并且可能需要进行多次测量和调节，直到光束按照理想位置参数所定义的定位。相机也可用于测量光斑面积和光斑尺寸。控制器可以自动地调节透镜，以调节目标透镜来设置光斑大小。
虽然不是穷举的或限制的，但是与用于激光喷丸设备一起使用的控制系统可用于：配置和监测电驱系统/振荡器(例如定时，泵浦电流)；配置和监测定时发生器；控制和监测激光安全；控制和监测激光输出；控制和监测激光器温度(如外壳温度，冷却水温度等)；通过调整激光头定时来控制输出能量；控制涂层施用；控制和监测最终聚焦透镜；控制和监测最终转镜；与诸如机器人的外部控制系统集成；在设备中存储部件的配置；存储由设备收集的数据，以备进行后处理；以及控制对该设备的访问(例如，限制对授权用户访问设备)。
虽然不是穷举的或限制的，但是与用于激光喷丸的设备一起使用的控制系统的传感器部件可以感知和监测：脉冲宽度、脉冲能量、光束的空间分布、二极管电压、泵浦电流、外壳温度、冷却水温度、激光安全系统，以及设备的健康。
如本文所述的控制系统可用于自动调节：激光头定时、最终聚焦透镜位置；最终调谐镜位置；涂层施用定时、冷却系统操作，以及数据收集。控制系统可自动调节输出激光束的能量。控制系统可以自动调节二极管电压。二极管电流可以由电驱系统自动控制。
该方法还可以包括通过开环或通过闭环机制进行重复调节激光器参数，通过调节最终聚焦透镜、调整光束传送装置中的反射镜的位置，以及调整脉冲剪切器，并重新测量光斑尺寸、光束位置和脉冲宽度，直到光斑尺寸、光束位置和脉冲宽度在用户定义的光斑尺寸、光束位置和脉冲宽度的容差之内。
除非有相反的具体说明，说明书中列出的数值参数，包括所附权利要求书，都是近似值，其可以根据示例性方面寻求获得的所需性能而变化。至少不应试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应当根据所报道的有效数字的数量并通过应用普通四舍五入技术来解释。
尽管阐述本发明广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在特定实施例中阐述的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值固有地包含一定的误差，这些误差必然由在它们各自的测试测量中发现的标准偏差所导致。
此外，尽管已经通过描述示例性方面来说明系统、方法和设备，虽然已经相当详细地描述了示例性方面，但是申请人的意图并不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这些细节，如果这些细节没有在权利要求中列举的话。当然，为了描述系统、方法和设备，不可能描述每一个可能想到的组件或方法的组合。借助于本申请，对于本领域技术人员来说，附加的优点和改进将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所展示和描述的具体细节、实施例和示例性方面。因此，在不脱离一般发明构思的精神和范围的情况下，可以偏离这些细节。因此，本申请意欲包括落入所附权利要求范围内的更改、修改和变化。前面的描述并不意味着限制本发明的范围。相反，本发明的范围由所附权利要求及其等同物来确定。
如说明书和权利要求书中所用，单数形式“一”、“一个”以及“所述”，包括复数个。此外，如果在权利要求书使用了术语“或”(例如，A或B)，则其意指“A或B或两者”。当申请人想要意指“仅A或B，而不是两者”时，则将使用“仅A或B而不是两者”；类似地，当申请人意指在A、B或C中的“一个且仅一个”时，申请人将使用短语“一个且仅一个”；而且，在说明书或权利要求书中使用到术语“在”或者“进”的范围内，它还可以表示另外的意思是“在”或“上”；在说明书或权利要求书中使用到术语“选择性地”的范围内，其意指一种部件的状态，其中，该设备的用户可以在使用设备时根据需要或期望激活或停用部件的特征或功能。在说明书中或权利要求书使用到术语“可操作地连接”的范围，其意指所识别的部件以执行指定功能的方式连接。最后，术语“约”与一个数字结合使用，其意图是指包括这个数字的±10％。换言之，“大约10”可以是从9到11。

Claims (22)

1.一种用于脉冲激光光束控制的装置，该装置包括：
二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器，被配置为生成并输出具有与控制器的电流设置选择相对应的预定义光束特性的脉冲激光光束，其中，所述控制器响应于所述电流设置选择，控制电流源输出电流以调谐所述DPSSL振荡器以生成具有在定义容差内的脉冲宽度、第一能量、第一空间分布和第一时间分布的第一光束；
滤光器，其配置为使用第二时间分布修改接收到的具有经修改的脉冲宽度(PW2)的经修改的第一光束，以输出具有第二能量、第二空间分布和第二时间分布的第二光束；以及
多级放大器，其配置为将光束能量放大和光束分布修改之后输出一个出射光束，所述多级放大器包括：
第一级放大器，其配置为放大和修改所述第二光束以输出具有第三能量和第三时间分布的第三光束；以及
第二级放大器，其配置为放大和修改所述第三光束以输出具有第四能量和第四时间分布的第四光束，其中所述第四光束基本上将所述脉冲宽度(PW1)或所述经修改的脉冲宽度(PW2)保持在所述定义容差内。
2.如权利要求1所述的装置，包括设置在所述DPSSL振荡器输出端的第一对波片和第一偏振片，其中，所述第一对波片和第一偏振片被配置为相对于所述第一光束旋转一定量的偏振角，以衰减第一光束的第一能量以生成不超过限定第一能级经衰减的所述第一光束。
3.如权利要求2所述的装置，包括设置在所述第一对波片和所述第一偏振片之间的第二对普克尔盒和第二偏振片，以及滤光器，其中，所述第二对普克尔盒和所述第二偏振片被配置为通过允许或阻止所述经衰减的第一光束离开所述普克尔盒，对来自所述第一偏振片的所述经衰减的第一光束执行纳秒持续时间切换，其中，出射光束为具有所述经修改的脉冲宽度(PW2)和所述第二时间分布的所述经修改的第一光束。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述普克尔盒包括一种晶体材料，所述晶体材料包括硼酸钡或磷酸二氘钾中的一种。
5.如权利要求4所述的装置，其中，在所述普克尔盒包括含有所述磷酸二氘钾的所述晶体材料的情况下，所述普克尔盒还配置为执行对所述第一光束或所述经衰减的第一光束的前缘进行脉冲切片，以输出小于12纳秒的所述经修改的脉冲宽度(PW2)和具有经修改的时间分布所述经修改的第一光束。
6.如权利要求4所述的装置，其中，从所述DPSSL振荡器输出的所述第一光束具有第一直径和翼部，并且所述滤光器包括：
扩束器，其配置为将所述经修改的第一光束的直径扩展到大于所述第一直径；以及
变迹器，其配置为从所述扩束器接收经扩展修改后的第一光束，以移除所述翼部，以输出具有不带所述翼部的所述第二空间分布的所述第二光束。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述多级放大器还包括：
第三级放大器，其配置为放大和修改所述第四光束以输出具有第五能量和第五时间分布的第五光束；以及
第四级放大器，其配置为放大和修改第五光束以输出具有第六能量和第六时间分布的第六光束或出射光束。
8.如权利要求1所述的装置，其中，从所述多级放大器到光束传送装置的出射光束具有近场值和测量值，并且所述光束传送装置包括真空继电器成像模块(VRIM)，所述真空继电器成像模块配置为保持所述出射光束的近场值和测量值，并且将所述出射光束传送到目标部件。
9.如权利要求2所述的装置，还包括耦合到所述第一偏振片、所述第二偏振片以及设置在所述多级放大器之后的光束传送装置中的一个或其组合的光束检测器，所述光束检测器用于监测光束脉冲宽度、光束直径和能级中的一个或其组合。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述光束检测器在监测过程中生成误差信号，作为反馈信号发送回所述控制器，其中，如果所述误差信号的幅度超过定义误差范围，则所述反馈信号使所述控制器执行以下之一或其组合：
配置电流源以输出校正电流以调谐所述DPSSL振荡器以抵消所述脉冲宽度误差信号，直到所述脉冲宽度(PW1)根据电流设置选择保持在所述定义容差内；
配置所述第一对波片和所述第一偏振片，相对于第一光束旋转一定量的校正偏振角，以增加或减少所述第一光束的所述第一能量的衰减，以保持在限定的所述第一能级内；
配置所述普克尔盒接通或断开，或将所述经修改的脉冲宽度(PW2)调整到保持在所述定义容差内的量；以及
配置所述多级放大器以调整所述光束能量放大和所述光束分布修改中的一个或其组合，以保持在限定的输出能级和限定的光束分布内。
11.如权利要求9所述的装置，还包括设置在所述DPSSL振荡器和所述波片之间的第一隔离器，以及设置在所述多级放大器和所述光束传送装置之间的第二隔离器，其中，所述第一隔离器和所述第二隔离器防止光束在相反的方向上反射。
12.一种用于脉冲激光光束控制的方法，该方法包括：由二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器生成并输出具有对应于控制器的电流设置选择的预定义光束特性的脉冲激光光束；
响应于所述电流设置选择，所述控制器控制电流源输出电流以调谐所述DPSSL振荡器以生成具有在定义容差内的脉冲宽度(PW1)、第一能量、第一空间分布和第一时间分布的第一光束；
通过滤光器修改接收到的具有经修改的脉冲宽度(PW2)和第二时间分布的经修改的第一光束110，以输出一个具有第二能量、第二空间分布、以及第二时间分布的第二光束；以及
通过多级放大器放大光束能量和修改光束分布，以输出一个出射光束，所述多级放大器放大光束能量和修改光束分布包括：
通过第一级放大器放大和修改所述第二光束，以输出具有第三能量和第三时间分布的第三光束；以及
通过第二级放大器放大和修改所述第三光束，以输出具有第四能量和第四时间分布的第四光束，其中所述第四光束基本上将所述脉冲宽度(PW1)或所述经修改的脉冲宽度(PW2)保持在所述定义容差内。
13.如权利要求12所述的方法，还包括通过第一对波片和第一偏振片衰减所述第一光束的第一能量，其中所述第一对波片和第一偏振片设置在所述DPSSL振荡器的输出端，并且所述第一对波片和第一偏振片配置为相对于所述第一光束旋转一定量的偏振角，以衰减所述第一光束的第一能量以生成不超过限定的第一能级的经衰减的所述第一光束。
14.如权利要求13所述的方法，还包括通过第二对普克尔盒和第二偏振片以每纳秒持续时间接通所述经衰减的第一光束，其中所述第二对普克尔盒和第二偏振片被设置在所述第一对波片和第一偏振片之间，还包括滤光器，所述第二偏振片配置为通过允许或防止所述衰减第一光束离开所述普克尔盒，对所述经衰减的第一光束执行纳秒持续时间切换，其中所述出射光束为具有所述经修改的脉冲宽度(PW2)和第二时间分布的所述经修改的第一光束。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述普克尔盒包括一种晶体材料，所述晶体材料包括硼酸钡或磷酸二氘钾中的一种。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在所述普克尔盒包括含有所述磷酸二氘钾的所述晶体材料的情况下，所述普克尔盒还配置为执行对所述第一光束或所述经衰减的第一光束的前缘进行脉冲切片，以输出小于12纳秒的所述经修改的脉冲宽度(PW2)和具有经修改的时间分布的所述经修改的第一光束。
17.如权利要求14所述的方法，其中，从所述DPSSL振荡器输出的所述第一光束具有第一直径和翼部，并且其中所述滤光器包括：
扩束器，其配置为将所述修改第一光束的直径扩展到大于所述第一直径；以及
变迹器，其配置为从所述扩束器接收经扩展修改后的所述第一光束，以移除所述翼部，以输出具有不带所述翼部的所述第二空间分布的所述第二光束。
18.如权利要求12所述的方法，其中，所述多级放大器还包括：
第三级放大器，其配置为放大和修改所述第四光束以输出具有第五能量和第五时间分布的第五光束；以及
第四级放大器，其配置为放大和修改第五光束以输出具有第六能量和第六时间分布的第六光束或所述出射光束。
19.如权利要求12所述的方法，其中，其中从所述多级放大器到光束传送装置的出射光束具有近场值和测量值，并且所述光束传送装置包括真空继电器成像模块(VRIM)，所述真空继电器成像模块配置为保持所述出射光束的近场值和测量值，并且将所述出射光束传送到目标部件。
20.如权利要求13所述的方法，还包括使用光束检测器来监测以下的一种或多种组合：光束脉冲宽度、光束直径以及能级，其中所述光束检测器耦合到所述第一偏振片、所述第二偏振片和设置在所述多级放大器之后的光束传送装置中的一个或其组合，所述光束传送装置用于将来自所述多级放大器的所述出射光束传送到目标部件。
21.如权利要求20所述的方法，还包括使用所述光束检测器在监测过程中产生误差信号，作为反馈信号发送回所述控制器，其中，如果所述误差信号的幅度超过定义误差范围，则所述反馈信号使所述控制器执行以下之一或其组合：
配置电流源以输出校正电流以调谐所述DPSSL振荡器以抵消所述脉冲宽度误差信号，直到所述脉冲宽度(PW1)根据电流定置选择保持在所述定义容差内；
配置所述第一对波片和所述第一偏振片，以将所述第一光束旋转一个校正偏振角，以增加或减少所述第一光束的所述第一能量的衰减，以保持在限定的所述第一能级内；
配置所述普克尔盒以接通或断开，或将所述经修改的脉冲宽度(PW2)调整到保持在所述定义容差内的量；
以及，配置所述多级放大器以调整所述光束能量放大和所述光束分布修改中的一个或其组合，以保持在限定的输出能级和限定的光束分布内。
22.如权利要求20所述的方法，还包括设置在所述DPSSL振荡器和所述波片之间的第一隔离器，以及设置在所述多级放大器和所述光束传送装置之间的第二隔离器，其中，所述第一隔离器和所述第二隔离器防止光束在相反的方向上反射。
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