CN207386799U - 超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备。数据采集分析计算机通过PXI Express端口连接FPGA时序模块、通过USB接口与电磁波探测器连接；FPGA时序模块通过BNC接口连接超短脉冲烧蚀激光器与加工机床；超短脉冲烧蚀激光器发射的激光，通过与入射激光方向垂直放置的激光扩束仪、半玻片与偏振立方体，半波片与入射激光成90°放置；通过旋转半波片激光通过偏振立方体后分为两束；第一束激光被反射到与激光入射方向成90°的残余激光吸收器里，第二束激光沿着入射方向继续向前传播，通过与入射激光方向成45°放置的抛物面激光聚焦反射镜，抛物面激光聚焦反射镜到被改性材料的距离为抛物面激光聚焦反射镜的焦距。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备。
背景技术
在现代战争中，胜负的关键取决于谁先发现对方并加以摧毁，因此隐身技术已经成为现代战争中起关键作用的先进技术之一。潜艇作为现代战争中必不可少的重型武器，其在战争中主要的优势为隐蔽性。然而，随着现代军事技术中目标探测技术的迅速发展，各国已经形成了空中，水面，水下环境的反潜侦察系统。目前军事上最重要的侦察手段为雷达侦察系统，它是借助物体反射雷达波的特性来测量，发现目标。潜艇在水下航行时，其潜望镜及雷达天线需要经常在露出水面情况下工作。尤其是对于常规动力潜艇要周期性地浮于水面进行工作与休整，导致潜艇常处于暴露状态，易于被敌方雷达发现。这是因为金属都是良好的导体，其磨光的表面对电磁波具有很高的反射率。目前，较为有效的防侦察措施为在这些武器上涂覆雷达吸收材料，如XFT-2型雷达吸波涂料。一般雷达吸波涂料主要由基料与吸收剂组成。而由于潜艇要长时间在水下航行，在具有较大水压的情况下，涂覆的吸波涂料在潜艇表面会发生开裂甚至脱落的现象，严重影响防雷达侦测能力。
飞秒激光以其能量密度高、烧蚀阈值确定、在低激光计量下热影响区可忽略，高精确度和无冲击波等优点被广泛地应用于材料加工以及材料表面改性领域。使用飞秒激光直接对潜艇关键部件进行表面材料改性，增加表面材料的吸收率。我们的实验表明，使用飞秒激光对低Z金属材料铝(Al)，贵金属材料铜(Cu)，中Z金属材料钼(Mo)以及高Z金属材料钨(W)进行表面改性，通过选择适当的激光参数可使金属材料表面吸收率增加到95％以上。此外，激光材料表面改性技术对环境适应性强，且为直接通过与被改性材料相互作用达到增加吸收率的目的，避免了使用基料和吸收剂，不会在潜艇表面发生开裂与脱落等现象，可极大的提高潜艇的防侦测能力。
此外，金属材料处于大气环境中，会不可避免地发生物理、化学吸附。对于最常使用的结构类材料，比如钢材料来说，被吸附的H2O会与局部的铁、碳组成微电池系统，发生电解、氧化等化学反应。而长时间电解、氧化势必会对金属材料造成腐蚀，影响其力学性能及使用寿命。
实用新型内容
为了增强结构钢材的使用寿命，提高其抗氧化能力及力学性能，一般可以使用等离子体镀膜及等离子体喷涂技术在材料表面沉积薄膜，如使用抗氧化能力强的金属对其钢材料进行表面镀膜。而考虑到飞秒激光在低激光计量下热效应可以忽略的优点，可以使用其对金属表面镀膜进行表面改性，优化其光学性能而不对基底造成任何影响。我们的实验表明，使用飞秒激光可实现在损伤纳米量级的表面金属材料情况下对其表面的性能进行改性，近似为一种无损改性方法。本实用新型亦可对镀膜材料表面改性，在增加其防腐能力及力学性能的同时，增加其吸收率。
本实用新型提供的一种超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备，数据采集分析计算机通过PXI Express端口连接FPGA时序模块、通过USB接口与电磁波探测器连接；FPGA时序模块通过BNC接口连接超短脉冲烧蚀激光器与加工机床；超短脉冲烧蚀激光器发射的激光，通过与入射激光方向垂直放置的激光扩束仪、半玻片与偏振立方体，半波片与入射激光成90°放置，偏振立方体放置朝向依据生产厂家指导或标识；通过旋转半波片，入射的激光通过偏振立方体后分为两束；第一束激光被反射到与激光入射方向成90°的残余激光吸收器里，第二束激光沿着入射方向继续向前传播，通过与入射激光方向成45°放置的抛物面激光聚焦反射镜，抛物面激光聚焦反射镜到被改性材料的距离为抛物面激光聚焦反射镜的焦距，或根据需要改性的区域大小减小抛物面激光聚焦反射镜到被改性样品的距离。
有益效果：通过应用本实用新型，结合相应的软件及算法，可以直接在材料上进行改性达到增强表面吸收率的目的，对深海潜艇关键部位改性的同时避免了使用基料与吸收剂，由于其直接改性的特点，不会在潜艇表面发生开裂与脱落等现象，可极大的提高潜艇的防侦测能力与服役能力。本实用新型亦可对镀膜材料在不影响基体材料的情况下进行表面改性，制造出力学性能优异，光学性能各异的功能材料。此外，由于该方法为光学改性方法，通过选择与优化光学器件可以进行远距离，微区改性。
附图说明
图1本实用新型超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备的原理图。
图2本实用新型超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备示意图。
图3典型的6fs超短脉冲表面改性增强表面吸收率的结果，(a)未处理的原始表面，吸收率为41.3％；(b)改性后的表面形貌，吸收率为95.5％；(c)激光改性后剖面图(d)激光表面改性增强表面吸收率与处理激光脉冲的关系。
附图标识：
A1为数据采集分析模块，其功能有采集电磁波信号并分析；结果评价；控制时序模块工作。A2为时序控制模块，其功能有触发激光器工作与控制激光器脉冲个数；触发车床按照设计的速度进行工作；触发结果检测模块开始工作。A3为飞秒激光器，其功能为对材料进行改性。A4为飞秒激光能量调控模块，其功能为在光斑能量空间分布保持不变的情况下调控激光能量。A5为电磁波探测器，其功能用于探测由电磁波发射器发射经由改性材料反射的电磁波。A6为电磁波发射器，其功能为发射需要检测的电磁波。A7为需要改性材料。A8为加工设备。
B1.数据采集分析计算机；B2.FPGA时序控制模块；B3.超短脉冲烧蚀激光器、B4.加工机床；B5.激光扩束仪；B6.半波片；B7.偏振立方体；B8.残余激光吸收器；B9.抛物面镜；B10.待改性材料；B11.已改性材料；B12.电磁波发射器；B13.电磁波探测器。
具体实施方式
为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。
实用新型原理：请参照图1，该实用新型主要包含有以下模块：时序控制模块A2；飞秒激光模块A3；加工设备A8；数据采集与处理模块A1。
所述飞秒激发波长不做任何限定，但最好为紫外激光，用于材料表面改性。超短脉冲激光1)可以降低甚至避免激光热影响区域(Heating Affect Zone，HAZ)；2)可以精确控制激光烧蚀深度，提高该技术的加工精准度，并可在不损伤基体的情况下对镀膜材料进行表面改性；3)可以避免在短脉冲激光烧蚀过程中，由热效应引起的材料表面元素再凝固造成的加工缺陷。该实用新型中使用的时序控制模块1)用于触发改性激光以及优化改性激光脉冲数目，从而达到表面改性增强金属吸收率的目的；2)同时触发加工机床模块，使其按照设定的速度运动，流水线式对材料改性。该方法中，根据被改性材料的不同，通过宽带偏振立方体与半波片优化激光能量，从而达到对材料以及镀膜材料改性的目的。为了避免由传统透镜球面像差导致激光束能量分布不均匀而引发的加工区域不可控，本实用新型使用一块抛物面镜对改性激光进行聚焦，抛物面镜1)可以避免球面像差引起的光束不均匀；2)可以将激光束聚焦到μm量级，对材料进行微区改性。本实用新型使用一个电磁波发射器与一个在其法线方向的电磁波探测器实时监控改性材料对电磁波的吸收率。采集到的信号传输到数据收集与处理模块进行数据处理，并给出是否满足要求的结果，若满足则该块改性完成，若不满足数据处理模块继续发送信号到时序控制模块进行下一轮改性加工。
实施例
参照图2，超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备，数据采集分析计算机B1通过PXI Express端口连接FPGA时序模块B2、通过USB接口与电磁波探测器B13连接；FPGA时序模块B2通过BNC接口连接超短脉冲烧蚀激光器B3与加工机床B4；超短脉冲烧蚀激光器B3发射的激光，通过与入射激光方向垂直放置的激光扩束仪B5、半玻片B6与偏振立方体B7，半波片B6与入射激光成90°放置，偏振立方体B7放置朝向依据生产厂家指导或标识；通过旋转半波片B6激光通过偏振立方体B7后分为两束；第一束激光被反射到与激光入射方向成90°的残余激光吸收器B8里，第二束激光沿着入射方向继续向前传播，通过与入射激光方向成45°放置的抛物面激光聚焦反射镜B9，抛物面激光聚焦反射镜B9到被改性材料的距离为抛物面激光聚焦反射镜B9的焦距，或根据需要改性的区域大小减小抛物面激光聚焦反射镜B9到被改性样品的距离。
使用本设备，包括以下步骤：
(1)使用数据采集分析计算机B1触发FPGA时序模块B2；
(2)按照已经设置好的时序分别触发超短脉冲烧蚀激光器B3、加工机床B4与电磁波发射器B12、电磁波探测器B13；
(3)超短脉冲烧蚀激光器B3发出的激光，经过激光扩束仪B5扩束，这样做的好处一可以降低激光对光学元件的损坏概率；二可以经由抛物面镜B9把激光聚焦到μm量级，三对于fs激光而言可以减少激光在空气中的自聚焦现象；
(4)被扩束的激光经由半波片B6与偏振立方体B7通过旋转半波片的角度对激光能量进行调控，这样做的好处为降低由不同激光能量下光束直径改变引起的实验误差，被分开的两束激光一部分激光用于烧蚀沉积膜一部分激光进入⑧残余激光吸收器；
(5)透过偏振立方体B7的飞秒激光通过一块抛物面镜B9聚焦，到达被加工材料并对其进行改性；
(6)对被改性材料B11使用一组电磁波发射器B12与电磁波探测器B13检测其吸收率，并将采集到的信号传输到数据采集分析计算机B1中进行数据采集与处理；
(7)数据采集分析计算机B1通过处理收集到的信号，通过计算电磁波探测器B13与电磁波发射器B12的信号强度比与设定的阈值(该阈值根据改性目标确定，如果改性目标为被改性材料需要吸收95％的电磁波，则该阈值为1减去0.95，即0.05或5％)的差值，给出是否合格的结果，如果差值大于0，则不合格，如果差值小于等于0则合格，若合格则完成该材料改性，若不合格则继续触发FPGA时序模块B2，进行下一轮改性。
图3为典型的6fs超短脉冲表面改性增强表面吸收率的结果，(a)未处理的原始表面，吸收率为41.3％；(b)改性后的表面形貌，吸收率为95.5％；(c)激光改性后剖面图；(d)激光表面改性增强表面吸收率与处理激光脉冲的关系。实验上使用低激光计量对材料改性，在其3维空间分布上没有发现热影响区，图3(c)所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (1)
1.超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的设备，其特征在于，数据采集分析计算机(B1)通过PXI Express端口连接FPGA时序模块(B2)、通过USB接口与电磁波探测器(B13)连接；FPGA时序模块(B2)通过BNC接口连接超短脉冲烧蚀激光器(B3)与加工机床(B4)；超短脉冲烧蚀激光器(B3)、激光扩束仪(B5)、半玻片(B6)与偏振立方体(B7)依次放置在光路上，半波片(B6)与光路成90°放置，偏振立方体(B7)放置朝向依据生产厂家指导或标识；用于接收偏振立方体(B7)分束的残余激光吸收器(B8)放置在偏振立方体(B7)的一侧，抛物面激光聚焦反射镜(B9)与光路成45°放置，抛物面激光聚焦反射镜(B9)到被改性材料的距离为抛物面激光聚焦反射镜(B9)的焦距，或根据需要改性的区域大小减小抛物面激光聚焦反射镜(B9)到被改性样品的距离。
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