CN201625837U - 一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置，高功率脉冲激光器的输出为线偏振光，计算机控制系统控制激光器的输出及水循环系统在待冲件表面加载水约束层，波片型光隔离器放置在激光器输出光路上，经隔离器输出的圆偏振光经过隔离器后的分光镜，平均分成两束能量相同、时间相同的透射和反射光，通过若干个45°全反射镜对两束光的光程进行调整，使两束光到达冲击件正反两面时经过的光程相等，两个相同的聚焦镜分别安装在冲击件两侧的导轨上，对两束光分别聚焦，通过调整步进电机来精确控制聚焦镜的位置，并且保证冲击件两面的光斑尺寸相同。本实用新型可以起到光隔离，结构简单，易于实现，避免了冲击件的变形。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光加工领域，尤其是一种激光冲击强化装置，适用于对冲击件双面冲击。
背景技术
激光冲击强化Laser Shock Processing，简写LSP，又称为激光喷丸，是利用高功率密度GW/cm2量级、短脉冲ns量级强激光冲击覆盖在金属表面的激光吸收保护膜或直接冲击金属表面，其吸收激光能量后温度迅速升高，发生气化、电离、膨胀，诱发高幅值冲击波，即光能转变为冲击波机械能；高达数GPa的冲击波压力使材料表层发生微观塑性变形，形成残余压应力层，从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。
国内从20世纪90年代开始激光冲击处理技术的研究，从所查资料看，主要是对冲击件单面冲击的试验。强激光作用于冲击件的一个表面，冲击件会朝一个方向发生变形。目前通常利用半透半反分光镜对激光器发射出的激光分光来得到两束分别作用于冲击件两表面的激光。半透半反分光镜分光时与光束的偏振有关。在激光器刚开始工作时，激光工作物质内部温度相同，随着温度的升高直到达到动态平衡，工作物质内部形成温度梯度，引起退偏效应，输出的激光不再为线偏振光，而是部分偏振光，部分偏振光经过分光镜，会得到两束能量不均的光束。不同能量的激光束作用于冲击件两面时，引起的冲击波压力不同，会造成冲击件的变形。
另外，也可以对分光后的两束激光分别聚焦，利用其焦点前附近的光斑作用于冲击件表面，经过聚焦镜分别聚焦的两束激光作用于冲击件正反两面时，若其作用时间不同，或光斑大小有差异，在两面形成的冲击波压力也不同，冲击件在冲击过程中也会发生变形。
同时，高功率脉冲激光器作为激光冲击强化处理中的关键设备之一，在主脉冲激光束聚焦作用到待冲击工件表面之前，激光工作物质Nd:YAG属于四能级系统，在光泵开始时，Nd:YAG就达到粒子数反转，形成自发辐射。由于光泵能量比较高，并且Nd:YAG增益很大，自发辐射在调Q开关尚未打开时仍可以输出激光，消耗放大器工作物质的反转粒子数。放大自发辐射产生的是长脉冲序列，先于激光器主脉冲作用于冲击件表面，冲击件表面反射使部分激光又返回激光放大器光路，如果放大器的光学表面的反射能够引起足够的反馈，就会形成自激振荡，又通过放大器输出激光。自激振荡对激光器和激光放大器的性能有很大影响，对于放大器而言，自激振荡的存在使得放大器消耗了大量的反转粒子数，降低了放大器激光工作物质的增益倍数，影响了激光放大器尤其是高功率激光放大器的性能。自激振荡的激光为长脉冲，在激光冲击强化时，长脉冲激光到达靶体，将烧蚀金属冲击件，导致冲击强化的失败。
根据我们查阅的相关文件，申请号为200810019757.X的中国专利“一种基于激光冲击波效应的板材双面精密成形方法及装置”主要是利用分光束方法双面冲击板材成形，并未涉及到平均分光的方法，也未涉及如何抑制或隔离返回光的方法。专利号为US005744781的美国专利“Method and Apparatus for Laser Shock Peening”所述双光束对冲金属叶片，其分光束是在激光器内部分光后再分别对两束光放大，也未涉及如何抑制或隔离返回光的方法。专利号为US6296448B1的美国专利“Simultaneous offsetdual sided laser shock peening”所述双光束对冲金属叶片，主要是叙述了两面同时对冲金属叶片，未涉及具体的分光技术，也未涉及对静态光的抑制。
由天津大学精密仪器学院超快激光研究室的王清月等人发表于2000年5月的《中国科学A辑》上的文章《飞秒激光啁啾脉冲放大过程中的放大自发辐射及其抑制》，主要运用空间滤波器、Pockelscell盒、可饱和吸收体、色散棱镜系统等技术方法对啁啾脉冲放大器内部的放大自发辐射进行抑制；由中国科学院上海光学精密机械研究所程小劲、徐剑秋2007年10月发表在《光学学报》上的文章《板条激光放大器中寄生振荡的研究》，将工作物质的两个相对侧面加工成不平行来抑制放大自发辐射；申请号03150509.0的中国专利“抑制激光波导寄生振荡的方法”，将工作物质侧面磨毛来抑制放大自发辐射；申请号为200510094467.8的中国专利“可饱和吸收光隔离器”，是在振荡级与放大级或放大级与放大级之间放置可饱和吸收体，抑制放大自发辐射。但在文献与专利中均未涉及到激光应用中由于冲击件的反射引起的噪声光。
发明内容
为了克服现有技术由于作用于冲击件正反表面的两束激光的时间不同、光斑不同引起冲击件变形的不足，本实用新型提供一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置，使两束作用光完全相同，避免了冲击件的变形。并且有效地抑制了激光冲击件表面反射回的杂散光引起的噪声光，提高了光束输出的质量和脉冲的峰值功率。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括高功率脉冲激光器、水循环系统、计算机控制系统、波片型光隔离器、半透半反分光镜、若干个45°全反射镜、步进电机、导轨和两个聚光镜。高功率脉冲激光器的输出为线偏振光，能量在10J级别，脉宽为ns级；计算机控制系统控制激光器的输出及水循环系统在待冲件表面加载水约束层，波片型光隔离器放置在激光器输出光路上，隔离了激光冲击强化时由冲击件表面反射回的杂散光，避免了这部分反射光引起的自激振荡。经隔离器输出的激光为圆偏振光，圆偏振光经过隔离器后的分光镜，平均分成两束能量相同、时间相同的透射和反射光，通过若干个45°全反射镜对两束光的光程进行调整，使两束光到达冲击件正反两面时经过的光程相等，光程相等确定了双光束到达冲击面的同时性。两个相同的聚焦镜分别安装在冲击件两侧的导轨上，对两束光分别聚焦，通过调整步进电机来精确控制聚焦镜的位置，使作用于冲击件光斑尺寸可调，并且保证冲击件两面的光斑尺寸相同。
聚焦光斑在作用于冲击件时，冲击件表面的法线方向相对于激光方向要有小角度(0.5°～1°)的倾斜，减少自激振荡的激光通过冲击件的反射直接进入光路。
所述的波片隔离器包含一个起偏器和一个λ/4波片。激光器的出射光束经过起偏器后为一线偏振光。为减少能量的损失，在激光器内部的一放与二放之间、三放与四放之间、五放与六放之间通过加载起偏元件使输出的激光为线偏振光。波片隔离器中的起偏器起偏方向与激光器输出的线偏振光的偏振方向相同。λ/4波片的光轴与起偏器起偏方向成45°角，线偏振光经过λ/4波片后，在右手坐标系中为右旋圆偏振光。右旋圆偏振光经过反射后返回的光为左旋圆偏振光。左旋圆偏振光返回经过λ/4波片后为一振动方向与起偏器起偏方向垂直的线偏振光，此时起偏器相当于一个检偏器，此返回光被反射出光路。
本实用新型的有益效果是：由于采用波片型光隔离器对自激振荡放大的光进行隔离，既可以起到光隔离，又能满足本装置分光的要求，并且结构简单，易于实现，因此适用于本装置。同时，将两面聚焦镜分别安装在由步进电机精确控制的导轨上，对光斑能够精确控制，从而保证了两束作用光完全相同，避免了冲击件的变形。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
附图说明
图1是本实用新型所述装置的结构示意图；
图2是双面冲击部分示意图；
图3是本实用新型所述波片型光隔离器的结构示意图
图中，1.输出线偏振光的高功率脉冲激光器；2.波片型光隔离器；3.45°半透半反分光镜；4～8.45°全反射镜；9～10.步进电机控制的导轨；11～12.聚焦镜；13.冲击件；14～15.喷水嘴；16.吸收层；17.起偏器；18.λ/4波片；19.反射镜。
具体实施方式
装置实施例：如图1所示的激光冲击强化冲击件双面对冲系统，整个装置包括输出为线偏振光高功率脉冲激光器1，波片型光隔离器2置于高功率脉冲激光器1的输出光路上，使出射光为圆偏振光，45°半透半反分光镜3置于波片型光隔离器2之后，将激光分成能量、时间相同的透射和反射光。透射光先后经过两面夹角为90°的45°全反射镜4、5的反射，反射光先后两面平行的45°全反射镜6、7和与全反射镜7夹角为90°的45°全反射镜8的反射，分别到达冲击件13的正反两面，两束光到达冲击件两面的光程相等。分别在冲击件13与45°全反射镜8之间的光路上放置聚焦镜11，在冲击件13与45°全反射镜5之间的光路上放置聚焦镜12，聚焦镜11和聚焦镜12焦距相等，分别安置在由步进电机控制的导轨9和10上。冲击件13与45°全反射镜5或全反射镜8之间的距离要大于聚焦镜的焦距。通过步进电机的精确控制，聚焦镜在导轨9、10上运动，可以调整作用于冲击件13表面的光斑大小，并使正反两面的光斑相同。在利用45°全反射镜调整光路时，并不只限于图1所示的4～8，可以使用更多片全反射镜，只要保证到达冲击件13正反两面的两束光的光程相等，能量损失不大。
如图2所示的双面冲击部分，冲击件被固定，喷水嘴14、15喷水速度相同，在冲击件表面形成水幕。冲击件上涂覆吸收层16。冲击件13表面法线相对于激光方向成0.5°～1°的倾斜，减少自激振荡的激光在冲击件表面反射回光路。
如图3波片型光隔离器示意图，波片型光隔离器2包含起偏器17，λ/4波片18。起偏器的起偏方向与激光器输出的线偏振光的偏振方向一致。脉冲激光经过起偏器17，为线偏振光。λ/4波片18与线偏振光的偏振方向成45°角，线偏振光经过λ/4波片18后为右旋圆偏振光。由反射镜19反射回的激光经过λ/4波片18后为振动方向与偏振片17起偏方向垂直的线偏振光，从而使这一部分返回光被反射出光路。
通过比较了未装置波片隔离器及装置波片隔离器后的静态光实验测量结果，未装置波片隔离器时静态光达到4.3J，甚至更高，加载波片隔离器后静态光能量小于300mJ。
Claims (3)
1.一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置，包括高功率脉冲激光器、水循环系统、计算机控制系统、波片型光隔离器、半透半反分光镜、若干个45°全反射镜、步进电机、导轨和两个聚光镜，其特征在于：高功率脉冲激光器的输出为线偏振光，能量在10J级别，脉宽为ns级；计算机控制系统控制激光器的输出及水循环系统在待冲件表面加载水约束层，波片型光隔离器放置在激光器输出光路上，经隔离器输出的圆偏振光经过隔离器后的分光镜，平均分成两束能量相同、时间相同的透射和反射光，通过若干个45°全反射镜对两束光的光程进行调整，使两束光到达冲击件正反两面时经过的光程相等，两个相同的聚焦镜分别安装在冲击件两侧的导轨上，对两束光分别聚焦，通过调整步进电机来精确控制聚焦镜的位置，并且保证冲击件两面的光斑尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置，其特征在于：所述的冲击件表面的法线方向相对于激光方向要有0.5°～1°的倾斜。
3.根据权利要求1所述的一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置，其特征在于：所述的波片隔离器包含一个起偏器和一个λ/4波片，激光器的出射光束经过起偏器后为一线偏振光，在激光器内部的一放与二放之间、三放与四放之间、五放与六放之间通过加载起偏元件使输出的激光为线偏振光，波片隔离器中的起偏器起偏方向与激光器输出的线偏振光的偏振方向相同，λ/4波片的光轴与起偏器起偏方向成45°角。
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Cited By (2)
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| CN103658977A (zh) * | 2012-09-21 | 2014-03-26 | 昆山思拓机器有限公司 | 一种采用方光斑刻蚀双面ito玻璃的刻蚀装置 |
| CN104411446A (zh) * | 2012-05-29 | 2015-03-11 | 伊雷克托科学工业股份有限公司 | 用于处理工件的方法及设备 |
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- 2010-03-08 CN CN 201020125741 patent/CN201625837U/zh not_active Expired - Lifetime
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