DE69020581T4

DE69020581T4 - Verbesserung von materialeigenschaften.

Info

Publication number: DE69020581T4
Application number: DE69020581T
Authority: DE
Inventors: Bernerd Campbell; Allan Clauer; Jeffrey Dulaney; Harold Epstein; Boyd Mueller; Craig Walters
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1990-01-11
Filing date: 1990-12-14
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2010-12-15
Also published as: US5131957A; WO1991011538A2; WO1991011538A3; CA2072070A1; ES2075435T3; EP0510124A1; DE69020581D1; EP0510124B1; DK0510124T3; ATE124465T1; US5127019A; DE69020581T2; JPH05503738A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Strahlungsimpulsen, z.B. von Hochleistungsimpulslasern, zur schockbehandlung von festen Materialien. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Eigenschaften des festen Materials, in dem darin Schockwellen erzeugt werden. Die Erfindung ist besonders anwendbar zur Steigerung oder Erzeugung gewünschter physikalischer Eigenschaften, wie z.B. Härte, Festigkeit, Dauerfestigkeit, Korresionsbeständigkeit, etc., von metallischen Materialien, und die Verbesserung von Schweißverbindungen zwischen metallischen Flächen, etc..
Die Erfindung beinhaltet wesentliche Verbesserungen gegenüber dem Verfahren und der Vorrichtung nach dem US-Patent 3,850,698 vorn 26. November 1974 von Philip J. Mallozzi und Barry P. Fairand zur Veränderung von Materialeigenschaften.
Wie das Patent von Mallozzi und Fairand aufzeigt, beziehen ältere Verfahren zur Schockbehandlung von festen Materialien typischerweise die Verwendung von hochexplosiven Materalien in Kontakt mit dem Körper ein, oder hochexpiosive Materialien werden verwendet, um eine Platte zu beschleunigen, die am Körper anschlägt, um darin Schockwellen zu erzeugen. Derartige Verfahren weisen verschiedene Nachteile auf. Zum Beispiel:
(a) ist es schwierig und teuer unebene Flächen und komplizierte Geometrien einer Schockbehandlung zu unterziehen,
(b) stellt die Lagerung und Handhabung des hochexplosiven Materials eine Gefahr dar,
(c) sind die Verfahren nur schwer automatisierbar und daher für gewisse industrielle Zwecke nicht anwendbar, und
(d) das hochexplosive Material kann nicht in extremen Umweltbedingungen wie zum Beispiel bei hohen Temperaturen und im hohen Vakuum, verwendet werden.
Kugelstrahlen ist ein weiteres, wohlbekanntes und akzeptiertes Verfahren zur Verbesserung von Dauerfestigkeits-, Härte- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften von Materialien durch Aufprall- bzw. Schlagbehandlung ihrer Oberflächen. Beim Kugelstrahlen werden viele kleine Geschosse oder Kügelchen mit hoher Geschwindigkeit gegen die Oberfläche eines Materials geschleudert. Die Geschosse oder Kügelchen gelangen manchmal aus der Behandlungsmaschine heraus und verstreuen sich im umliegenden Bereich. Da Partikel in die umliegende Maschinerie gelangen und Beschädigungen be wirken können, kann Kugelstrahlen gewöhnlich nicht in Produktionsstraßen verwendet werden. In der Regel kann es ferner nicht auf bearbeiteten Oberflächen verwendet werden, ohne diese zu beschädigen.
Eine Laserschockbehandlungseinrichtung kann jedoch unmittelbar in Fertigungsstraßen eingefügt werden, ohne die umliegende Einrichtung zu gefährden. Sie ist zudem leicht an eine automatische Steuerung anschließbar, wodurch sie noch attraktiver für Anwendungen in Fertigungsstraßen wird. Sie kann verwendet werden auf bearbeitenden Oberflächen von gehärteten Metallen und Legierungen, ohne die Oberflächen zu beschädigungen.
Die Wechselwirkung eines Impulslaserstrahles mit der Oberfläche eines Materials verursacht einen Druckimpuls (Schockwelle), der sich im Material ausbreitet und dessen Eigenschaften verändert. Bei Metallen z.B. wird die Veränderung der Eigenschaften durch eine Behandlung mittels Kaltbearbeitung bewirkt, bei der die Härte und Festigkeit eines Materials ansteigt. Durch ein geeignetes Bemessen des Scheitelwertdrucks und der Breite der Schockwelle ist es möglich, ausgewählte Materialeigenschaften zu steigern, wie z.B. die Dauerfestigkeit, und gleichzeitig andere Eigenschaften, wie z.B. die Korresionsbeständigkeit, nicht ungünstig zu beeinflussen. Eine Schockbehandlung eines fertiggestellten Materialstücks ist ebenso ohne eine Störung seiner Oberfläche, wo eine dünne Opferschicht als Deckmaterial mit sehr gutem Kontakt auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht ist, möglich.
Eine Schockbehandlung mit kohärenter Strahlung weist verschiedene Vorteile gegenüber den bisherigen Vorgehensweisen auf. Z.B.:
(a) Die Strahlungsquelle ist im hohen Maße steuer- und reproduzierbar.
(b) Die Strahlung kann leicht auf vorbestimmte Flächenbereiche fokusiert und die Betriebsweise einfach verändert werden. Dies ermöglicht Flexibilität hinsichtlich des gewünschten Schockdrucks und eine sorgfältige Steuerung über den zu schockenden Werkstückbereich.
(c) Werkstücke, die in aggressiven Umgebungen, wie z.B. hohen Temperaturen und hohem Vakuum eingebettet sind, können schockbehandelt werden.
(d) Das Werkstück kann leicht wiederholt geschockt werden. Dies ist dort wünschenswert, wo eine Steigerung der Materialeigenschaften in schrittweiser Form möglich ist. Ein mehrmaliges Schocken des Werkstücks bei geringen Drücken kann starke Verformungen und Spallation des Werkstücks vermelden.
(e) Das Verfahren kann leicht automatisiert werden.
(f) Unebene Werkstücke können schockbehandelt werden, ohne daß sorgfältig ausgearbeitete und teure Schockfokusierschemen notwendig werden.
Wie im Patent von Mallozzi und Fairand erwähnt ist, behandelten verschiedene Veröffentlichungen die Verwendung von Lasern zur Erzeugung von Spannungswellen in Körpern:
1. G.A. Askar'yan und E.M Moroz; JETP Letters 16, 1638 (1963)
2. Frank Neuman, Appl. Phys. Letters 4, 167 (1964)
3. David W. Gregg und Scott J. Thomas, J. Appl. Phys. 37, 2787 (1966).
4. C.H. Skeen und C.M. York, Appl. Phys. Letters 12, 369 (1968).
5. N.C. Anderholin, Appl. Phys. Letters 16, 113 (1970).
6. S.A. Metz und FA. Smidt, Jr., Appl. Phys. Letters 19, 207 (1971).
7. L.C. Yang und Vincent J. Menicheih, Appl. Phys. Letters 19, 473 (1971).
Die Mehrheit dieser alten Schriften sind auf die Phänomenologie von lasererzeugten Druckimpulsen bezogen. Ausnahmen beinhalten ein Experiment, bei dem erzeugte Druckimpulse in einer sehr dünnen Aluminiumfolie verwendet werden, um unempfindliche hochexpiosive Stoffe zur Detonation zu bringen, und eine Untersuchung einer freien Erzeugung in dünnen Vanadium- und Nickelfolien, wie in den beiden letzten oben aufgelisteten Schriften berichtet wird. Die früheren Untersuchungen betrachteten nicht die mögliche Verwendung von Impulslasern für signifikante Veränderungen von inneren Materialeigenschaften, wie z.B. Verschiebungen im inneren Gefüge. Aufgrund seiner hohen Steuer- und Reproduzierbarkeit stellt ein Jmpulslaser ein wichtiges Werkzeug zur Untersu chung der Grundmechanismen von Schockverformungen von Körpern, wie auch für praktische Anwendungen der Materialschockbehandlung dar.
Die aus Nr. 6 und 7 aufgeführten Schriften wurden im Prüfungsverfahren des Patents von Mallozzi und Fairand zitiert. Weiterhin wurden die folgenden US-Patente und weiteren Publikationen zitiert, die als von Interesse betrachtet wurden, da dort die Schockhärtung von Metallen, die Erzeugung von freien Stellen bzw. Lücken in Metallen durch Laserbeschuß und die Wirkungen von Laserbeschuß auf Metalle aufgezeigt werden.

US-PATENTE

2,703,297 3/1955 Macleod 148/4
3,172,199 3/1965 Schmidt 148/4 X
3,218,199 11/1965 Cowan et al 148/4
3,454,435 7/1969 Jacobs 148/12.7

WEITERE PUBLIKATIONEN

Soviet Physics-Doklady, Band 14, Nr. 11, Mai 1970, Seiten 1128-1130.
Soviet Physics-Technical Physics, Band 12, Nr. 6, Dez. 1967, Seiten 753-757.
Neuere Veröffentlichungen, die für das Gebiet der vorliegenden Erfindung von Bedeutung sind:
A. B. P. Fairand, B. A. Wilcox, W. J. Gallagher, und D. N. Willians, J. Appl. Phys., Band 43, pp. 3893-3895 (1972)
B. A. H. Clauer, B. P. Fairand, und B. A. Wilcox, Met. Trans. A., Band 8A, pp. 119-125 (1977).
C. A. H. Clauer, B. P. Fairand, und B. A. Wilcox, Met. Trans. A., Band 8A, pp. 1871-1876 (1977).
D. B. P. Fairand und A. H. Clauer, J. Appl.Phys., Band 50, pp. 1497-1502 (1979)
E. A. H. Clauer und B. P. Fairand, Applications of Lasers in Materials Processing, hrsg. durch E. Metzbower, American Society for Metals, Metals Park, Ohio (1979).
F. A. H. Clauer, J. H. Holbrook, und B. P. Fairand, Shock Waves and High Strain Rate Phenomena in Metals, hrsg. durch M. A. Meyers und L. E. Murr, Plenum Press, New York (1981), pp. 675-702 G. 5. C. Ford, B. P. Fairand, A. H. Clauer, und R. D. Galliher, Investigation of Laser Shock Processing, Final Report, AFWAL-TR-80.3001, Band II (August, 1980).
H. A. H. dauer, C. T. Walters, und S. C. Ford, The Effects of Laser Shock Processing on the Fatigue Properties of 2024-T3 Aluminium, Lasers in Materials Processing, hrsg. durch E.A. Metzbower, American Society for Metais, Metais Park, OH, 1983, pp. 7-22.
I. Ichiyama et al, US-Patent 4,293,350 vom 6. Oktober 1981; Grain-oriented Electromagnetic Steel Sheet with Improved Watt Loss.
J. T. Iuchi, S. Yamaguchi, und T. Ichiyama, Laser processing for reducing core loss of grain oriented silicon steel, J. Appl. Phys. 53(3), März 1982, pp. 2410-2412.
K. Jean Fournier, Remy Fabbro, J.L. Strudel, und D. Ayrault, Experimental Study of Deformation Induced in Metallic Alloy by Laser Generated High Pressure Shocks, Conference: LAMP '87: Laser Advanced Materials Processing--Science and Applications, Osaka, Japan, 21-23. Mai 1987, High Temperature Society of Japan, c/o Welding Research Institute of Osaka University, 11-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567, Japan, 1987, pp. 365-370
L. R. Fabbro, J. Fournier, E. Fabre, E. Leberichel, Th. Hannau, C. Corbet, Experimental study of metallurgical evolutions in metallic albys induced by laser generated high pressure shocks, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering v 668., veröffentlicht durch SPIE, Bellingham, WA, USA, 1986, pp. 320-324.
In den vergangenen Jahren hat die Forschung durch das Batelle Memorial Institut ihren Blick auf verschiedene mögliche Anwendungen der Laserschockbehandlung gerichtet.
Die Streckgrenze von geschweißten 5086 und 6061 Aluminiumlegierungen wurde um 50 Prozent gesteigert durch Laserschocken der Verschweißung und der Wärmeeinflußzone mittels überlappender Spots, wie in der Veröffentlichung C erörtert wurde. Die Lebensdauer einer geschweißten 5456 Aluminiumlegierung wurde wesentlich gesteigert gegenüber der Lebendauer von ungeschocktem Material. Diese Legierung wird in geschweißter Form für Strukturkomponenten von Hochleistungsschiffen verwendet. Ergebnisse aus Experimenten zur Formgebung von Metallen zeigen, daß lasererzeugte Schocks die kleinen und relativ dünnen Metallteile ausbilden können, wie zum Beispiel jene, die in kleinen Maschinen und Ausrüstungskomponenten verwendet werden. Ein gewisser erfolg wurde ebenso beim Laserschocken von Keramiken erreicht. So wurde zum Beispiel die Härte von Silizimnitrid, das im unbehandelten Zustand sehr hart ist, um einige Prozent gesteigert.
Die in der als H aufgeführten Schrift erörterte Forschung zeigt auf, daß:
Die durch die Laserschockbehandlung erreichten Verbesse rungen in der Dauerfestigkeit ein Ergebnis der Restdruckspannungen sind, die sich in der bestrahlten Oberfläche durch Verlangsamung der Rissausbreitungsrate entwikkeln. Veränderungen in der Gestalt der Rißfront und ein Verlangsamen der Risswachstumsrate, wenn die Rißfront auf die lasergeschockte Zone in einer Laserschockbehandlungssituation auftrifft, zeigen auf, daß dies der Fall ist.
Anfänglich erzeugte Restdruckspannungen unterhalb der bestrahlten Oberfläche können verändert oder eleminiert werden durch den Durchgang von Zugspannungswellen, die von der gegenüberliegenden Oberfläche des Teils reflektiert werden. Wenn nur eine einseitige Schockbehandlung angewendet wird, ist es notwendig entweder dickere Proben zu bearbeiten, um die Intensität der reflektierten Wellen zu senken, wobei Proben mit einer unregelmäßigen Rückfläche verwendet werden, um die reflektierte Welle zu zerstreuen, oder eine Impulsfalle zu verwenden, um die reflektierte Schockwelle abzuleiten.
Die Laserschockbehandlung ist ein wirksames Verfahren zur Steigerung der Dauerfestigkeit von Aluminium durch Behandlung von kritischen Bereichen hinsichtlich der Ermüdung. Die Auswirkungen, die die Restdruckspannungen rund um den lasergeschockten Bereich auf die Rißausbildung haben, wurden in einer früheren Studie (die oben in F aufgeführt ist) bezüglich der Wirkung der Laserschockbehandlung auf die Ermüdungserscheinungen von geschweißten Aluminiumproben behandelt, wobei dort eine Reihe von überlappenden Spots verwendet wurden, um die Schweiß- und Wärmeeinflußzone zu bedecken. Bei diesen Proben konnten ausgeprägte Anstiege der Dauerfestigkeit beobachtet werden, wobei sich zeigte, daß das überlappen der Spots die Wirkung des Laserschockens nicht wesentlich reduziert. Dies wird unterstützt durch Ergebnisse bei einem Niedrigkarbonstahl, der keine Veränderung im Restdruckspannungsprofil quer durch den Rand eines Spots in einem Spotüberlagerungsbereich auf zeigte.
Die EP-A-0 319 397 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schockwellen in einem festen Material in einem Target auf, wobei zur Schockbehandlung des Targets die Schritte aufgezeigt werden, daß eine Vielzahl von Laserimpulsen auf die Oberfläche des Materials gerichtet werden, die eine mittlere Energiefluenz von 180 bis 320 J und eine Dauer von 2,75 bis 25 ns haben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen von Schockwellen im Inneren eines festen Materials in einem Target enthält zur Schockbehandlung des Targets das Richten einer Vielzahl von Impulsen von kohärenter Strahlung auf die Oberfläche des Materials, wobei die Strahlung eine mittlere Energiefluenz von zumindest ca. 10 Joule pro Quadratzentimeter und eine Anstiegszeit von weniger als 5 ns aufweist, die innerhalb eines fluoreszierenden Bandbereichs mit einer Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden liegt, bei einer Rate von einem Strahlungsimpuls pro 100 bis 200 Mikrosekunden.
Typischerweise wird die Anstiegsflanke jedes Strahlungsimpulses dadurch geschärft, daß im Strahlengang des Impulses ein metallischer Film mit einer Dicke von 15 bis 500 nm (150 bis 5000 Angström) vorgesehen ist, der durch den Impuls verdampft wird, und der metallische Film quer zum Strahlengang des Strahlungsimpulses bewegt wird, so daß ein späterer Impuls auf einen Rereich des Films trifft, der nicht bereits durch einen früheren Impuls verdampft wurde.
Der metallische Film enthält typischerweise eine Beschichtung aus Aluminium auf einem dünnen Trägerfilm, der im wesentlichen transparent ist und verzerrungsfrei auf die Wellenfront der Strahlung wirkt. In der Regel enthält der Trägerfilm ein festes Polyestermaterial, wie zum Beispiel gerecktes, zumindest teilweise kristallines, Polyethylenterephthalat, und ist nicht dicker als ungefähr 10 Wellenlängen der Strahlung. Ein typischer Strahlungsimpuls verdampft einen Bereich des metallischen Films von ungefähr 0,1 bis 0,2 Quadratmillimeter in einer Zeit von ungefähr 0,1 bis 3 Nanosekunden, nach der der Bereich der Verdampfung sich auf ungefähr 1 bis 1000 Quadratmillimeter in ungefähr 2 bis 10 Nanosekunden ausweiten kann. Die Strahlung enthält in der Regel ein Bündel mit einem Querschnitt von ungefähr 0,1 bis 1000 Quadratmillimetern.
Das feste Material ist in der Regel Metall.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Schockwellen im Inneren eines festen Materials in einem Target enthält zur Schockbehandlung des Targets eine Lasereinrichtung zum Erzeugen und eine Einrichtung zum Ausrichten einer Vielzahl von Impulsen kohärenter Strahlung auf die Oberfläche des Materials, wobei die Strahlung im Mittel einer Energiefluenz von zumindest 10 Joule pro Quadratzentimeter und eine Anstiegszeit von weniger als 5 Nanosekunden aufweist, die innerhalb eines fluoreszierenden Bandbereichs mit einer Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden liegt, bei einer Rate von einem Strahlungsimpuls pro 100 bis 200 Mikrosekunden.
Die Impulserzeugungseinrichtung enthält in der Regel eine Laseroszillator- und eine Laserverstärkungseinrichtung.
Typischerweise weist die Verstärkungseinrichtung einen Verstärkerstab auf, der im wesentlichen aus verstärktem Laserphosphatglas besteht. Der Verstärkerstab enthält in der Regel Glas, das durch ein Ionenaustauschverfahren verstärkt und in der Lage ist, der ungefähr fünffachen Energie pro Längeneinheit des Verstärkerstabs standzuhalten, wie es typischerweise unverstärktes Laserphosphatglas auszuhalten im Stande ist. Dies ermöglicht eine höhere Impulsrate. Ein besonders geeignetes Material für den Verstärkerstab enthält Kigre Q-89 verstärktes Phosphatglas oder ein prinzipielles Äquivalent hiervon.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung zum Erzeugen einer schnellen Bewegung des metallischen Films, wie sie in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erforderlich ist;
Fig. 3 einen schematischen Ausschnitt gemäß der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 2 und 3;
Fig. 5 eine Oszilloskopdiagramm, das die mittlere relative Intensität gegenüber der Zeit eines typischen Strahlungsimpulses zum Erzeugen der erfindungsgemäßen Schockwellen aufzeigt; und
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf einen Bereich auf der Oberfläche eines Target, das schockbehandelt wurde, wobei es die Bereiche aufzeigt, auf die die Strahlung gerichtet war und die Stellen an denen die Restspannung im Beispiel B gemessen wurden.
In Figur 1 ist eine typische Vorrichtung 10 gezeigt, die geeignet ist, die vorliegende Erfindung zur Verbesserung der Eigenschaften eines metallischen Materials in einem Target 11 durchzuführen, in dem Schockwellen darin erzeugt werden und wobei eine Vielzahl von Impulsen kohärenter Strahlung 12 auf die Oberfläche des Materials 11 gerichtet sind, wobei die Strahlung im Mittel eine Energiefluenz von zumindest 10 Joule pro Quadratzentimeter und eine Anstiegszeit von weniger als 5 Nanosekunden aufweist, die innerhalb eines fluoreszierenden Bandbereichs mit einer Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden liegt, bei einer Rate von einem Strahlungsimpuls pro 100 bis 200 Mikrosekunden.
Die Komponenten 15' bis 19', die innerhalb des gestrichelten Polygons 10' liegen, sind optional in der Vorrichtung 10. Die Ausführungsformen, die diese Komponenten nicht aufweisen, werden zunächst beschrieben.

Nehrfachimpulse, schnelle Filmbewegung

Die kohärente Strahlung 12 wird durch einen Oszillator 13-17 erzeugt, der einen hinteren Spiegel 13, einen Laserpumphohlraum 14, einen Polarisator 15, eine Pockelszelle 16 und ein Auskoppelelement 17 aufweist. Der Laserpumphohlraum 14 enthält ein Verstärkungsmedium, wie zum Beispiel einen Neodymglaslaserstab, der durch Blitzlampen gepumpt wird, welche in regelmäßigen Intervallen von ungefähr 0,5 bis 10 Sekunden durch ein Impulsformer-Netzwerk (PFN) betrieben werden. Ein solcher Laserpumphohlraum 14, der in geeigneter Weise in der Vorrichtung 10 verwendet wurde, enthält die folgenden Komponenten, die durch Kigre, Inc. aus Hilton Head, South Carolina hergestellt werden:
FC-500/2 Laserhohlraum, 8" Bogenlänge (1" 2,54 cm)
3/8 mit 7,5" Q-98 Laserstab, 3% Dotierungsniveau die Enden um 1 Grad versetzt, Antireflexbeschichtung an beiden Enden
zwei flüssigkeitsgekühlte Blitzlampen
Kontroller-Modell 883 mit integrierter 330 Watt Stromversorgung
Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf.
Der Oszillator 13-17 erzeugt einen annähernd rechteckförmigen fluoreszierenden Bandbereich mit einer Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden. Die kohärente Strahlung 12 aus dem Laserpumphohlraum 14 ist linear polarisiert. Der Polarisator 15 trennt die Strahlung 12 in zwei linearpolarisierte orthogonale Komponenten auf; eine davon (Komponente B) wird wegreflektiert, wie durch 12B angezeigt wird; und die andere (Komponente A) wird, wie durch 12A angezeigt, zur Pockelszelle 16 weitergeleitet.
Mit einem zweckmäßigen, sich quer erstreckend vorliegenden Potential (ungefähr 3300 Volt für eine Zelle aus transversalen deuteriertem Kaliumdihydrogenphosphat) verzögert die Pockelszelle 16 die kohärente Strahlung 12A um eine viertel Wellenlänge (90º), während sie zum Auskoppelelement 17 durchgelassen wird, das ungefähr die Hälfte davon zurück zum Polarisator 15 reflektiert. Die reflektierte Energie läuft zurück durch die Pockelszelle 16 mit einer weiteren Verzögerung um eine viertel Wellenlänge (90º). Somit ist die zurückgeworfene Strahlung um eine halbe Wellenlänge (180º) außer Phase mit der vorwärtsgerichteten Strahlung der Komponente A, wodurch sie die entgegengesetzte Polan sation (B) aufweist und durch den Polarisator 15 rückreflektiert wird, wie 12C anzeigt, so daß sie nicht zum Laserpumphohlraum 14 zurückkehrt. Daher baut sich Laserenergie auf und wird im Laserstab des Pumphohlraums 14 gespeichert, da Schwingungen nicht auftreten können.
Nach wenigstens ungefähr 100 Mikrosekunden wird das Potential quer durch die Pockelszelle 16 für ungefähr 1 bis 5 Mikrosekunden auf Null reduziert, in der Regel durch einen Masseschluß bzw. Erdung; und der Masseschluß der Pockels zelle 16 wird in Intervallen von ungefähr 100 bis 200 Mikrosekunden wiederholt. Während sie geerdet ist, verzögert die Pockelszelle 16 die Strahlung 12 nicht und der Oszillator 13-17 erzeugt ungefähr 2 bis 50 Laserimpulse 12 in jedem fluoreszierenden Bandbereich, mit ausreichender Zeitdauer zwischen den Impulsen, um im Laserstab gespeicherte Energie aufzubauen, während die Fluoreszenzverluste minimal gehalten werden.
Das Auskoppelelement 17 enthält einen teilweise reflektierenden Spiegel der ungefähr die Hälfte der Energie jedes Impulses 12 auf eine Einrichtung zum Schärfen von Impulsen bzw. einen Impulsschärfer 18 überträgt, der eine Beschichtung aus Aluminium mit einer Dicke von ungefähr 15 bis 500 Nanometer (150 bis 5000 Angström) auf einem Trägerfilm enthält, der im wesentlichen transparent und dünn genug ist, um verzerrungsfrei auf die Wellenfront der Strahlung zu wirken. Der Trägerfilm enthält in der Regel ein festes Polyestermaterial, wie zum Beispiel gerecktes, zumindest teilweise kristallines, Polyethylenterephthalat mit einer Dicke von ungefähr 1 bis 40 Mikrometer. Ein solches Material, das wir verwendet haben, ist Mylar, ein Produkt von E.I. du Pont de Nemours & Company. Mylar ist doppelbrechend und seine optischen Achsen sollten derart ausgerichtet sein, daß sie mit der Polarisation der Polarisatoren 15 und 15' zusammenwirken.
Der Strahlungsimpuls 12 trifft auf den Aluminiumfilm 18 und verdampft in ungefähr 0,1 bis 3 Nanosekunden einen Bereich von ungefähr 0,1 bis 0,2 Quadratmillimetern des Films, wonach sich der Verdampfungsbereich in der Regel in ungefähr 2 bis 10 Nanosekunden auf ungefähr 1 bis 1000 Quadratmillimeter vergrößert. Dadurch wird die Anstiegsflanke der Strahlung 12 geschärft, während sie durch das Loch, wo der Film 18 wegverdampft wurde, hindurchgeht und der modifizierte Impuls 12 auf einen Vorverstärker 20 gerichtet wird. Wenn es notwendig oder zweckmäßig ist, können Planspiegel 19 im Strahlengang der Strahlung 12 eingebracht werden, um die Richtung des Strahlungsbündels 12 zu verändern oder zu justieren.
Der Vorverstärker 20, der gleichartig wie der Laserpumphohlraum 14 sein kann (und typischerweise ist) verstärkt den Strahlungsimpuls 12 in der Regel um ungefähr 3 bis 10 Dezibel und die verstärkte Strahlung 12 schreitet fort über ein Teleskop, das in der Regel eine Zerstreuungslinse 21 und eine Sammellinse 22 enthält, zu einem Verstär ker 23, der den Strahlungsimpuls in der Regel um ungefähr 5 bis 15 Dezibel weiter verstärkt. Ein Verstärker 23, der zweckmäßigerweise in der Vorrichtung 10 verwendet wurde, enthält die folgenden Komponenten, die von Kigre Inc. aus Hilton Head, South Carolina hergestellt wurden:
Leistungsverstärkungseinrichtung FA-1000/2
Laserstab Q-89, 27 mm Diagonale * 810 mm Länge (wird später beschrieben)
zwei fluid-gekühlte Lampen, 63 cm Bogenlänge
Stromversorgung Modell 886-2, kompatibel mit dem Kontroller 883
duale PFN Einrichtungen
Kühlsystem mit Wasserkühlmittel
Der verstärkte Strahlungsimpuls 12 wird durch eine Sammellinse 24 auf einen gewünschten Bereich auf einer Oberfläche 25 des Target 11 fokusiert bzw. gebündelt, um darin eine mittlere Energiefluenz von zumindest ungefähr 10 (und vorzugsweise ungefähr 10 bis 500) Joule pro Quadratzentimeter und einen mittleren Leistungsfluß auf dem Target von zumindest ungefähr 10&sup7; (und vorzugsweise ungefähr 10&sup9; bis 10¹¹) Watt pro Quadratzentimeter zu erzeugen, mit einer Impulslänge von in der Regel ungefähr 10 bis 1000 Nanosekunden. Der maximale Leistungsfluß wird begrenzt durch die Ausbildung eines reflektierenden Plasmas auf der Oberfläche des Target. Dieses Maximum des Leistungsflußes steigt an, wenn die Wellenlänge des Lasers verringert wird. So ist der ma ximale Leistungsfluß zum Beispiel bei einer Wellenlänge des Lasers von 0,53 Mikrometer ungefähr viermal so groß, wie bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikrometer.
Ein Teil der durch den Verstärker 23 ausgegebenen Strahlung 12, in der Regel ungefähr 10 Prozent, kann durch einen Strahlteiler 37 und Spiegel 39 auf einen zweiten, gleichartigen Verstärker 23' gerichtet werden, um einen zweiten verstärkten Strahlungsimpuls 12' zu erzeugen, der durch eine Sammellinse 24' auf den gewünschten Bereich der Oberfläche 25 des Targets 11 gleichzeitig mit dem Impuls 12 vom Verstärker 23 gerichtet wird. In der gleichen Weise kann ein Teil der ausgegebenen Strahlung 12' des Verstärkers 23' durch einen Strahlteiler 37' etc. gerichtet werden und jede zweckmäßige Anzahl von Verstärkern kann in gleicher Weise eingesetzt werden, um zusätzliche Impulse auf das Target 11 zu erzeugen. Typischerweise werden die Impulse der verschiedenen Verstärker auf den gleichen Bereich der Oberfläche 25 des Target 11 gerichtet, auf überlappende Bereiche auf der Oberfläche des Target 11 und/oder auf Bereiche, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des Target 11 sind.
Die Aluminiumfolie 18 versperrt den Strahlengang des Strahlenbündels 12 kurzzeitig, wird aber schnell durch das Strahlenbündel 12 zuerst in einen kleinen Bereich verdampft, der sich dann schnell aus diesem Bereich heraus ausbreitet bis die Folie über den ganzen Bereich im Strahlengang des Bündels verdampft ist. Dieser Vorgang erzeugt eine extrem scharfe Anstiegsflanke in jedem Strahlungsimpuls 12. Das Schalten bzw. Vermitteln durch die Folie 18 erfolgt daher räumlich transversal. Ein individueller Bereich auf der Folie 18 schaltet um von einem Reflektieren zu einem Durchlassen in der Zeit, die erforderlich ist, um den Foliendampf sich ungefähr auf das Dreifache seines Originalvolumens ausdehnen zu lassen. Beim Siedepunkt von Aluminium, bei 2057 Grad Celsius, dehnt sich der Dampf mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1200 Metern pro Sekunde aus. Bei einem typischen, im Handel verfügbaren Film, der eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von ungefähr 300 Angström enthält auf einem Mylar-Trägerfilm mit einer Dicke von ungefähr 10 Mikrometern, verdreifacht das bestrahlte Aluminium sein Volumen in ungefähr 48 Picosekunden. Daher ist die Schaltzeit von jedem beliebigen Punkt innerhalb des bestrahlten Bereiches ungefähr 100 mal schneller als die Zeit zum Schalten im Mittel über den ganzen Bereich.
In Figur 5, die ein Oszilloskopdiagramm der mittleren relativen Intensität eines typischen auf das Target 11 aufgebrachten Strahlungsimpulses 12 aufzeigt, ist die Anstiegszeit des Impulses 12 (ungefähr 20 Nanosekunden) die Zeit, die verwendet wird, um den verdampften Bereich auf dem Alu miniumfilm 18 auf den gänzlichen Bereich des Laserstrahls 12 auszudehnen. Die auf einem kleinen Bereich der Folie wirkende Zeit zum Umschalten vom Reflektieren zum Durchlassen ist um ungefähr einen Faktor 100 geringer (ungefähr 0,2 Nanosekunden).
Relevante Phänomene hierzu werden in einem Konferenzblatt der Society of Photo-optical Instrumentation Engineers vom August 1976 (Veröffentlichung M, siehe unten) beschrieben. Die Zusammenfassung legt dar: die Öffnungszeit wird durch den sogenannten "Sprengverschluß" bemessen, der gegenwärtig als Isolator in Hochleistungslasersystemen verwendet wird. Der Verschluß besteht im wesentlichen aus einem 275 Angström dicken Aluminiumfilm, der auf einem 12 Mikrometer dicken transparenten Kunststoffilm angeordnet ist. Der Aluminiumfilm wird dadurch plötzlich entfernt, daß er einem Hochleistungsimpuls eines Neodymglas-Lasers (λ 1,06 Millimeter) ausgesetzt wird. Es werden Impulse mit einer Dauer von 50 Picosekunden verwendet, die zwischen 0,5 und 3 Joule pro Quadratzentimeter an Energie auf den Aluminiumfilm aufbringen. Die absorbierte Energie überhitzt den Film und führt ihn in eine sich schnell ausbreitende Wolke aus Aluminiumdampf über. Ein blauer Laserstrahl von einem kontinuierlichen Argonlaser läuft durch den Verschluß und wird durch eine ultraschnelle Streifenkamera erfaßt, die für eine Auflösung von 50 Picosekunden eingerichtet ist. Mit dieser Anordnung werden 10 bis 90 Prozent der Verschlußöffnungszeiten, die zwischen 0,8 und 4 Nanosekunden variieren, gemessen, die bei einer Laserimpulsenergiedichte von 2 Joule pro Quadratzentimeter auftreten.
M: M. A. Duguay, M. A. Palmer und R. E. Palmer, Laser Driven Subnanosecond Blast Shutter, Proc. SPIE, Band 94, High Speed Optical Techniques, pp. 2-6.
Der Isolator auf den in der zitierten Zusammenfassung Bezug genommen wird, ist im US-Patent von 1977 (Schrift N, siehe unten) beschrieben. In der Regel enthält die verwendete Folie im wesentlichen Aluminium, Gold, Silber, Platin, Kupfer oder Blei einer Dicke von ungefähr 100 bis 1000 Angström; in der Regel enthält sie ferner eine Beschichtung aus einer transparenten Träger, der im wesentlichen Glas, Quarz, Polyethylenterephthalate oder andere transparente Kunststoffe enthält und vorzugsweise weniger als ungefähr 10 Wellenlängen dick ist. Diese Materialien und weitere Materialien, die geeignet angepaßt sind, können in den Impulsschärfern 18, 18' der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
N: Mallozzi et al, US-Patent 4,002,403, vom 11. Januar 1977; Suppressing Superradiance.
Jeder Metallfilm, der im wesentlichen keine Laserlichtübertragung durch einen wenige hundert Angström dicken Film zuläßt, kann als Impulsschärffolie verwendet werden. Der Hauptvorteil bei der Verwendung von Aluminium ist der, daß ein dünner Kunststoffilm, der mit wenigen hundert Angström Aluminium beschichtet ist, leicht verfügbar und billig ist. Ein solcher wird sehr oft in Grußkarten verwendet. Zusätz lich wird die Oberfläche des Aluminiums nicht negativ durch auftretende Oxidation beeinflußt. Die Oberflächen von Kupfer- und Silberfilmen werden dagegen durch Oxidation schädlich beeinflußt. Der Aluminiumfilm auf Kunststoff, der in der oben genannten Schrift M verwendet wird, ist der glei che, wie der in der oben genannten Schrift N und in den Beispielen der vorliegenden Erfindung verwendete Film.
Natürlich muß der Film 18 schnell bewegt werden, um einen unterschiedlichen Bereich des Filmes, der nicht bereits verdampft ist, in den Strahlengang der Strahlung 12 zu bringen, bevor der nächste Impuls erzeugt ist. Ein typischer Strahl 12 vom Oszillator 13-17 weist einen Durchmesser von einem Zentimeter auf, so daß der Aluminiumfilm 18 quer zum Strahlengang des Strahles 12 mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 50 bis 100 Metern pro Sekunde bewegt werden muß, um den verdampften Bereich aus dem Strahlengang des Strahls in ungefähr 100 bis 200 Mikrosekunden zu bringen. Der Strahl kann jedoch bequemerweise auf einen Durchmesser von ungefähr 0,3 Zentimeter gebündelt werden, bevor er auf dem Aluminiumfilm 18 auftrifft, wodurch sich die erforderliche Geschwindigkeit auf ungefähr 15 bis 30 Meter pro Sekunde reduziert. Eine weitere Konzentration des Strahles 12 ist nicht wünschenswert, da die Leistungsflußdichte dann den Grenzwert übersteigt, oberhalb dem sich ein Aluminiumplasma ausbildet, das selbst den Laserstrahl 12 absperrt. Dies kann vermieden werden durch Verringerung der Austrittsleistung des Oszillators 13-17 und eine ausreichende Erhöhung der Verstärkung des Vorverstärkers 20, um das erforderliche Leistungseintrittsniveau in den finalen Verstärker 23 zu schaffen.
Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen schematisch eine geeignete Vorrichtung zum Bewegen des Films 18 mit der erforderlichen Geschwindigkeit. Eine zylindrische Trommel 41 dreht sich um seine Achse 42 mit einer Geschwindigkeit, die hoch genug ist, um die erforderliche Bewegungsrate im Film 18 zu erzeugen, der genau innerhalb des Umfangs der Trommel 41 zwischen einer Zufuhrspule 43 und einer Antriebsspule 44 befestigt ist. Während einem Abschnitt jeder Rotation der Trommel 41, wie durch den Pfeil 45 angezeigt wird, kreuzen an gegenüberliegenden Seiten der Trommel 41 angeordnete Schlitze 46 und 47 den Strahlengang des Strahlungsimpulses 12, so daß verschiedene Pulse 12 erfolgreich durch die Eintrittsschlitze 46 hineingelangen, auf den Aluminiumfilm 18 treffen, ihn verdampfen, und ihren Weg durch den Austrittschlitz 47 und auf die Spiegel 19, etc., fortsetzen, wie in Fig. 1 dargestellt ist.
Zum geeigneten Zeitpunkt, gerade bevor die Schlitze 46 und 47 den Strahlengang des Laserstrahls 12 zu kreuzen beginnen, wird eine geeignete Betätigungsvorrichtung (nicht gezeigt) durch eine an der Trommel 41 befestigte Betätigungskomponente 48 getriggert. Die Triggerungskomponente 48 kann zum Beispiel einen Spiegel enthalten, der einen Lichtstrahl zu einem Photodetektor reflektiert, um einen Zeitimpuls zu schaffen, der die Blitzlampen im Laserpumphohlraum 14 auslöst, wenn die Schlitze 46 und 47 damit beginnen, den Strahlengang des Laserstrahles 12 zu kreuzen. Dann treffen verschiedene Laserimpulse 12 erfolgreich auf den Aluminiumfilm 18, jeder davon in einem unterschiedlichen Bereich des Films 18, und setzt sich wie oben in Verbindung mit der Fig. 1 beschrieben fort.
Dieser Vorgang wird in der Regel ungefähr alle 0,5 bis 10 Sekunden periodisch wiederholt, wobei eine Betätigungsvorrichtung in der Zwischenzeit automatisch ausgeschaltet wird. Inzwischen ist der Film 18 durch die Antriebsspule 44 fortgeschritten, um einen neuen Bereich des Filmes 18 in Linie mit dem Eintrittsschlitz 46 zu bewegen. Alternativ kann der Film 18 kontinuierlich mit einer geringeren Rate durch die Antriebsspule 44 weitergeführt werden, um einen unterschiedlichen Abschnitt der Oberfläche des Films für jede Reihe von Impulsen 12 zu erreichen. In der Regel kann eine Rolle von aluminisierten Mylarfilm, der annähernd 6 Zoll breit und 1000 Fuß lang ist, die Impulsschärfung für ungefähr 100000 bis 1000000 Laserimpulse 12 schaffen.

Zwei Impulse, langsame Fumbewegung

Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die keine speziellen schnellen Einrichtungen zur Bewegung des Films erfordern, sind ebenso in Fig. 1 dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen sind die Komponenten, die innerhalb des gestrichelten Polygons 10' eingeschlossen sind, in der Vorrichtung 10 enthalten.
Der bereits beschriebene Abschnitt der Vorrichtung 10 erzeugt einen zweckmäßig geschärften Impuls in der gleichen wie der beschriebenen Weise. Die Pockeiszelle 16 wird jedoch nur einmal kurzgeschlossen, in der Regel ungefähr 200 Mikrosekunden nach dem Auslösen der Blitzlampen im Laserpumphohlraum 14, so daß nur ein Impuls 12 kohärenter Strahlung der Komponente A auf das Target 11 innerhalb des fluoreszierenden Bandbereichs erzeugt wird. Der Impuls 12 schreitet ebenso vom Impulsschärfer 18 durch einen zweiten Polarisator 15' bevor er über die Spiegel 19 auf den Vorverstärker 20 gerichtet wird.
Der Laserpumphohlraum 14, der Polarisator 15, die Pockelszelle 16' und das Auskoppelelement 17' bilden einen zweiten Oszillator 14-17', durch den die andere Strahlungskomponente 12B einen einzelnen geschärften Impuls 12' mittels des Impulsschärfers 18', des Spiegels 19' und des Polarisators 15' schafft, wobei der Polarisator 15' die Strahlungskomponente 12B zum ersten Spiegel 19 reflektiert; und von dort der Strahlengang der Strahlung 12 der gleiche ist wie der der Komponente 12A.
Die Betätigungsweise des zweiten Oszillators 13, 14, 15, 16', 17' ist gleichartig der des ersten Oszillators 13-17. Der zweite Oszillator 13-17' schafft ebenso einen annähernd rechteckförmigen floureszierenden Bereich mit einer Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden und die kohärente Strahlung 12 vom Laserpumphohlraum 14 ist linear polarisiert. Der Polarisator 15 spaltet die Strahlung 12 in zwei linear polarisierte orthogonale Komponenten auf; eine davon (Komponente B) wird zur Pockeiszelle 16' reflektiert, wie durch 12B angezeigt wird. Die andere (Komponente A) wird weiter zur Pockeiszelle 16 übertragen, wie durch 12A angezeigt wird.
Mit einem zweckmäßigem Potential, das quer durch die Pockelszelle 16' vorliegt (ungefähr 3300 Volt für eine Zelle aus transversalen deuterierten Kaliumdihydrogenphosphat) verzögert sie die kohärente Strahlung 12B um eine viertel Wellenlänge (90º), während diese auf das Auskoppelelement 17' übertragen wird, das ungefähr die Hälfte davon zurückreflektiert zum Polarisator 15. Die reflektierte Energie läuft zurück durch die Pockelszelle 16' mit einer weiteren Verzögerung um eine viertel Wellenlänge (90º). Somit ist die zurückgeworfene Strahlung um eine halbe Wellenlänge (180º) außer Phase mit der vorwärts gerichteten Strahlung der Komponente B, wodurch sie die entgegengesetzte Polarisation (A) aufweist und durch den Polarisator 15 abgeleitet wird, wie 12C anzeigt, so daß sie nicht zum Laserpumphohlraum 14 zurückkehrt. Daher kann keine Schwingung auftreten, und Laserenergie wird aufgebaut und im Laserstab des Pumphohlraums 14 gespeichert.
Zum gewünschten vorbestimmten Augenblick wird das Potential quer durch die Pockeiszelle 16' in der Regel durch Masseschluß für ungefähr 1 bis 5 Mikrosekunden auf Null reduziert. Während dessen verzögert die Pockelszelle 16' die Strahlung 12B nicht und der Oszillator 13-17' erzeugt einen zweiten Laserimpuls 12' in jedem floureszierenden Bandbereich.
In der Regel wird die Pockeiszelle 16' ungefähr 150 Mirkosekunden später als die Pockelszelle 16 kurzgeschlossen, so daß der zweite Strahlungsimpuls 12' das Target 11 ungefähr 150 Mikrosekunden nach dem erstem Impuls 12 trifft. Der Polarisator 15', die Pockelszelle 16', das Auskoppelelement 17', der Impulsschärfer 18' und der Spiegel 19' sind in der Regel im wesentlichen identisch mit den entsprechend benummerten jeweiligen Bestandteilen 15 bis 19.
Daher erzeugt die Vorrichtung 10, die die innerhalb des gestrichelten Polygons 10' eingeschlossenen Komponenten enthält zwei Strahlungsimpulse 12 auf das Target 11 in jeden floureszierenden Bandbereich.
Der Vorgang wird periodisch in der Regel ungefähr alle 0,5 bis 10 Sekunden wiederholt. Um dafür zu sorgen, daß ein unterschiedlicher Abschnitt seiner Oberfläche quer zum Strahlengang jedes Strahlungsimpulses 12 vorliegt, benötigen die Filme 18 und 18' nur eine Bewegung von ungefähr einem Zentimeter pro Sekunde. Eine Bewegung mit einer solchen Geschwindigkeit kann leicht durch geeignete herkömmliche oder spezielle Einrichtungen erreicht werden. Die Bewegung kann entweder kontinuierlich oder unterbrochen sein.
Wie beschrieben liegt keine Oszillation während jedem floureszierenden Bandbereich vor (und Laserenergie baut sich auf und wird im Laserstab des Pumphohlraums 14 gespeichert), außer während die eine oder andere Pockelszelle 16 oder 16' kurzgeschlossen ist, da jede zurückgeworfene Strahlung durch den Polarisator 15 vom Pumphohlraum 14 in Richtung 12C weggeleitet wird. Die zurückgeworfene Strahlung durch die Pockelszelle 16 wird durch den Polarisator 15 entlang des Strahlengangs 12C reflektiert und die zurückgeworfene Strahlung durch die Pockelszelle 16' wird durch den Polarisator 15 entlang des Strahlenganges 12C durchgelassen.
Mit Ausnahme während den Impulsen der Oszillation ist die Strahlung, die durch die Auskoppelelemente 17, 17' zu ihren jeweiligen Impulsschärfern 18, 18' hindurch tritt viel zu schwach, um die Metallfolie zu verdampfen und diese bleibt somit intakt.

Hohe Effektivität

Bei der Schockbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung muß jeder individuelle Strahlungsimpuls ausreichend Energie aufweisen, um einen bestimmten Grenzwert zu überschreiten, so daß Schockwellen erzeugt werden, und die Rate mit der das feste Material behandelt werden kann, ist annähernd proportional zur mittleren Leistung des Strahlungsimpulses. Um eine hohe Effektivität bzw. Leistungsfähigkeit und optimale Ergebnisse zu erreichen, sollten der Laser und die damit verbundenen Vorrichtung, die die kohärente Strahlung für das feste Material erzeugen, ein hohes Verhältnis der Austrittsenergie zur Hitze im Lasermedium erzeugen. Dieses Verhältnis hängt von der Ausbeuteeffektivität der gespeicherten Energie und vom Anteil der in der Zeit der QSchaltung durch die Pockelszelle gespeicherten Energie ab. Die Ausbeuteeffektivität im interessanten Bereich ist eine gleichförmig ansteigende Funktion des Verhältnisses der Austrittsfluenz zum Sättigungsparameter 5.
wobei h die Laserphotonenenergie ist und L der Querschnitt der stimulierten Emission. Da die Austrittsfluenz eines einzelnen Impulses durch den Beschädigungsgrenzwert des Laserglases begrenzt ist, ist die Energieausbeute eines einzelnen Impulses eingeschränkt. Bei 8 Joule pro Quadratzentimeter Austrittsfluenz wird die Effektivität mit ungefähr 40% bei einem typischen Phosphatglas kalkuliert. Diese Begrenzung der Ausbeuteeffektivität kann jedoch dadurch umgangen werden, daß zwei oder mehrere Laserimpulse innerhalb eines einzelnen floureszierenden Impulsbandbereiches vorgesehen werden.
Die Effektivität kann verbessert werden in dem die Breite des Pumpimpulses gering gemacht wird im Verhältnis zur Lebensdauer der Floureszenz. Dies erfordert jedoch eine derart hohe Energieladung in den Blitzlampen, daß das resultierende Spektrum zu weit innerhalb des ultravioletten Bereiches liegt, um den Laser effektiv pumpen zu können und die Lebensdauer der Lampen verkürzt sich beträchtlich. Es ist daher vorzuziehen, die Effizienzverluste aufgrund unvollständiger Speicherung der Energie zum Zeitpunkt der Q- Schaltung durch Extraktion von mehr als einem Q-geschalteten Impuls von einem floureszierenden Bandbereich zu umgehen. In der Regel wird ungefähr die Hälfte der absoluten in das obere Laserniveau gepumpten Energie zum Zeitpunkt der Q-Schaltung gespeichert. Der Rest der Energie wird entweder nach der Q-Schaltung in das obere Laserniveau gepumpt oder geht durch Floureszenzverluste vor der Q-Schaltung verloren. Daher können mehrere Impulse in einem einzelnen floureszierenden Bandbereich, wobei die Zeit zwischen den Impulsen ungefähr 100 bis 200 Mikrosekunden beträgt, eine wesentliche Verbesserung der Effektivität ermöglichen. Die Effektivität eines Systems kann in der Regel von ungefähr 2% bei einem einzelnen Impuls auf ungefähr 6% bei einer Mehrzahl von Impulsen angehoben werden.

Verstärkermaterialien

Wie erwähnt, ist die Rate bei der metallisches Material erfindungsgemäß behandelt werden kann annähernd proportional zur durchschnittlichen Energie der Strahlungsimpulse, die die Schockwellen erzeugen, wobei jeder einzelne Impuls eine ausreichende Energie aufweist, um einen bestimmten Grenzwert zu überschreiten. Wir haben herausgefunden, daß die Produktionsrate erfindungsgemäß annähernd 5-fach angehoben werden kann bei Verwendung eines kürzlich entwickelten Typs eines verstärkten Phosphatlaserglases im Verstärker 23, der die Strahlungsimpulse auf den Target 11 überträgt.
Auf den ersten Blick kann es offensichtlich erscheinen, verstärktes Glas in dieser Weise anzuwenden. Verstärktes Laserglas ist jedoch seit mehr als einem Jahrzehnt verfügbar, ohne daß eine weitreichende Anwendung in Lasersystemen, die eine hohe mittlere Energie erfordern, gefunden wurde. In den meisten Laseranwendungen sind die Helligkeit und Kohärenz des Laserstrahles von vorrangiger Bedeutung und beide verschlechtern sich bei höheren mittleren Energien in dem Umfang, daß der Laserstrahl nutzlos für derartige Anwendungen wird, schon bevor die Bruchspannung eines gewöhnlichen unverstärkten Glases erreicht wird. Überdies war das Siliziumglas in verstärkter Gestalt seit vielen Jahren verfügbar ist mit einen derart hohen Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex und einen derart hohen Spannungskoeffizienten des Brechungsindex, daß das verstärkte Glas keine größere mittlere Energie als das unverstärkte Glas erzeugt. Ebenso ist der Verstärkungskoeffizient des Siliziumglases nur ungefähr zwei Drittel der des Phosphatglases, was es ungeeignet macht für Anwendung, die hohe Energie erfordern.
Demzufolge war der Hauptgrund für die Verwendung von verstärktem Glas, daß es während dem Versand oder einer anderen Handhabung weniger leicht zu brechen war. Die beträchtlich anwachsenden Produktionsraten, die durch die Verwendung von verstärktem Phosphatglas in der Schockbehandlung erreicht wurden, waren unerwartet und weitaus nicht absehbar.
Ionenaustauschverstärktes Phosphatglas wurde circa 1985 verfügbar. Es weist eine durchschnittliche Energiebeständigkeit auf, die ungefähr fünf mal so groß ist, wie von älterem Phosphatglas. Der Temperaturkoeffizient des Brechungsindex tendiert dazu, den Dichtekoeffizient auszuschalten und die resultierende Veränderung des Brechungsindex mit der Temperatur ist wesentlich geringer als bei Siliziumglas, so daß es möglich ist, eine höhere Ausgabeleistung zu erreichen, die annähernd proportional zur größeren Stärke des Glases ist. Aufgrund der speziellen Glaszusammensetzung, die für eine Verstärkung notwendig ist, ist die Effektivität bzw. Leistungsfähigkeit des verstärkten Glases jedoch nur ungefähr 75 Prozent der Effektivität eines vergleichbaren unverstärkten Glases. Nur dadurch, daß die vorliegende Schockbehandlung kein Strahlungsbündel mit hoher Helligkeit erfordert und die vermischte Polarisation, die aus der Spannungsdoppelbrechung resultiert, keine negativen Effekte aufweist, kann das verstärkte Phosphatglas signifikante Verbesserungen in der durchschnittlichen Leistung, wie zum Beispiel wesentlich höhere Produktionsraten in der erfindungsgemäßen Schockbehandlung erreichen.
Ein Laserglas, das zu Verbesserungen der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, ist Kigre Q-89, ein verstärktes Phosphatlaserglas. Q-89 ist ein verstärktes Phosphatlaserglas, das die Eigenschaften einer hohen Verstärkung und eines hohen Zerstörungsgrenzwertes des Phosphatgiases kombiniert mit der hohen Festigkeit und den Beständigkeitscharakteristiken des Siliziumglases. Ausgiebige Forschungsbemühungen von Kigre Inc. in Verbindung mit der Universität von Rochester haben zur Entwicklung einer Laserglaskomposition in Verbindung mit einem lonenaustauschverfahren geführt, was in einem Anwachsen der Bruchfestigkeit um Faktoren zwischen 5 und 6 mal dem von herkömmlichen Phosphatglas mündet. Endergebnis ist ein neues Lasermaterial, das verspricht einen Durchbruch in den Eigenschaften von Laserglas zu schaffen, um so eine höhere durchschnittliche Leistung zu erreichen.
Der Hersteller, Kigre Inc. aus Hilton Head, South Carolina, gibt die folgenden Eigenschaften von Q-89 an:
spektroskopische Eigenschaften:
Scheitelwertwellenlänge (nm) 1054
Querschnitt (*10&supmin;²&sup0; cm²) 3.8
Lebensdauer der Fluoreszenz (µs) 350
Lebensdauer der Strahlung (µs) 308
Linienbreite (nm) FWH 21,2
Verlust bei der Laserwellenlänge (% * cm&supmin;¹) 0,08
optische Eigenschaften:
Brechungsindex (Nd) 1,559
Abbe-Zahl 63,6
thermische Eigenschaften:
Transformationspunkt (ºC) 495
thermische Ausdehnung (10&supmin;&sup7;/ºC) (20ºC-40ºC) 99
thermische Leitfähigkeit (W/m * K) 0,82
physikalische Eigenschaften:
Dichte (g/cm³) 3,14
Solarisationsbeständigkeit exzellent
Weitere Informationen über Q-89 Glas wurden in einer 1988 veröffentlichten Schrift (0, siehe unten) verbreitet. Aus der Zusammenfassung geht hervor: Ionenaustauschverstarktes Phosphatglas in einer aktiven Spiegelgeometrie bleibt unbeschädigt bei einem Pumpenergieniveau, das drei mal der durchschnittlichen Pumpbeschädigungsgrenze von unverstärktem Phosphatglas der gleichen Geometrie ist. Zusätzlich werden vor und nach der Behandlung Messungen der Oberflächenwellenfront und der Rauhigkeit bzw. Mattheit an einem Satz rechteckiger Substrate vorgenommen, um jede durch den lonenaustausch erzeugte Änderung der Oberfläche quantifizieren zu können. Experimentelle Messungen der Verformung der Wellenfront durch die Behandlung des verstärkten Blocks zeigten sich gering gegenüber den erzeugten Werten der Formänderungsmerkmale bei ausgedehnten Behandlungszeiten.
O: K. A. Cerqua, M. H. Shoup III, D. L. Smith, S. D. Jacobs, und J. H. Kelly, Strengthened phosphate. glass in a high reprate active-mirror amplifier geometry, Applied Optics, Band 27, Nr. 12, 15. Juni 1988, pp. 2567-2572
Das feste Target 11 enthält in der Regel zumindest ein Metall, eine Legierung, eine intermetallische Verbindung oder andere metallische Materialien. Einige typische Targetmatenahen, für die die vorliegende Erfindung besonders anwendbar ist, sind Silber, Kupfer, Magnesium, Aluminium, Kadmium, Zink, Eisen, Nickel und Titan.
In der Regel ist eine Schicht 26 aus festem oder flüssigem Deckmaterial an eine Oberfläche 25 des Target 11 gefügt und der Strahlungsimpuls 12 auf die Schicht 26 des Deckmaterials gerichtet. Die Dicke des Target 11 plus dem Deckmaterial 26, das absorbierend auf die Strahlung 12 wirkt, ist vorzugsweise zumindest ungefähr zwei Mikrometer größer als das mittlere freie Weglänge der darin vorliegenden Strahlung 12. Das Target 11 ist vorzugsweise an einem wesentlich größeren festen Stützteil 31 befestigt oder wird starr von einer Spannvorrichtung gehalten, wohei beide davon starr auf einem Tisch oder einem anderen feststehenden Objekt befestigt sind.
Über die zu behandelnde Oberfläche des Target 11 können Deckschichten aufgebracht sein. Diese Deckmaterialien können aus zwei Arten bestehen, einer transparenten bezüglich der Laserstrahlung und einer lichtundurchlässigen bezüglich der Laserstrahlung. Sie können entweder alleine oder in Kombination miteinander verwendet werden; es wird aber vorgezogen, sie in Kombination zu verwenden, mit einer undurchsichtigen Deckschicht 26, die unmittelbar auf der Oberfläche 25 des Targets 11 aufgebracht ist und einer äu ßeren Deckschicht 30 oder 27, die transparent ist.
Die Schicht des Deckmaterials 26 sollte zuverlässig auf der Oberfläche 25 des Target 11 aufgebracht sein, so daß sie in sehr gutem Oberflächenkontakt außerhalb dem zu bestrahlenden Bereich ist. Wo einige oder alle der Deckmaterialien eine Flüssigkeit, wie 27 enthalten, kann diese innerhalb eines Behälters 28 gehalten werden, von dem zumindest ein Frontabschnitt 29 vorzugsweise transparent bezüglich der Strahlung 12 ist, oder ohne Beschränkung durch einen Behälter über den zu behandelnden Bereich fließen. Wo eine flüssige transparente Decklage 27 verwendet wird, kann die feste transparente Decklage 30 wegfallen, wenn dies gewünscht ist. Wo nur die feste transparente Deckschicht 30 gewünscht ist, können die Flüssigkeit 27 und der Behälter 28 weggelassen werden.
Das transparente Deckmaterial sollte im wesentlichen transparent bezüglich der Strahlung sein. Anwendbare transparente Deckmaterialien schließen Wasser, Lösungen auf Wasserbasis, andere korrosionsfreie Flüssigkeiten, Glas, Quarz, Natriumsilikat, Quarzglas, Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Polyethylen, Fluorkunststoffe, Nitrozellulose, und Mischungen hiervon ein. Fluorkunststoffe, wie sie aus der ASTM Nomenklatur bekannt sind, sind paraffinische Kohlenwasserstoffpolymere von denen jedes oder ein Teil der Wasserstoffatome durch ein Fluoratom ersetzt wurde. Ein ande res Halogen, Chlor, kann ebenso Teil der Struktur des Fluorkunststoffs sein. Um den Fluoraustausch zu vermindern und die Verarbeitbarkeit zu steigern, enthalten diese Materialien Polytetrafluorethylen (PTFE); fluoriertes Ethylenpropylen (FEP); die Chlortrifluorethylene (CTFE); und Polyvinylfluorid (PVF). Ebenso verfügbar ist eine Auswahl von Copolymeren von Halogen- und Fluorkohlenwasserstoffen, einschließlich fluorierte Elastomere.
Wo gewünscht kann das lichtundurchlässige Deckmaterial im wesentlichen lichtundurchlässig für die Strahlung sein. Anwendbare lichtundurchlässige Deckmaterialien umfassen einen schwarzen Anstrich, Pentaerythrittetranitrat (PETN); Wismut, Blei, Kadmium, Zinn, Zink, Graphit; und Mischungen von Holzkohle mit verschiedenen transparenten Materialien, wie zum Beispiel Mischungen von Nitrozellulose und Kaliumperchlorat oder Kaliumnitrat. Wahlweise kann eine Schicht aus einem anderen festen Deckmaterial 30 auf der Schicht des im wesentlichen lichtundurchlässigen Materials 26 aufgebracht sein. Die äußere feste Schicht 30 kann entweder transparent oder lichtundurchlässig sein.
Wo ein im wesentlichen inertes Deckmaterial verwendet wird, hat es vorzugsweise eine Schallimpendanz von zumindest ungefähr der des Targets und eine spezifische Sublimationsenergie von weniger als ungefähr 5 x 10¹&sup0; Erg pro Gramm. Die Schallimpendanz wird definiert als das Produkt der Schallgeschwindigkeit im Material mal dessen Dichte. Die spezifische Sublimationsenergie bezeichnet die Energie, die pro Einheitsmasse erforderlich ist, um ein Material aus einem festen in einen gasförmigen Zustand überzuführen. Metalle mit Sublimationsenergien von bevorzugt geringem Wert sind Wismut, Blei, Kadmium, Zinn und Zink.
Das Deckmaterial kann exothermisch (d.h. ein Material das Energie frei gibt) sein und weist vorzugsweise die Eigenschaft einer schnell freiwerdenden chemischen Energie, ent weder durch Detonation oder durch Verpuffung im Ansprechen auf die Strahlung auf. Detonation bzw. Explosion ist ein Vorgang, bei dem in einem hochexplosiven Stoff eine chemische Reaktion mit einer spezifischen Art der Schockwelle abläuft, die als Detonationswelle bezeichnet wird und deren Geschwindigkeit bei einer bestimmten Art eines Expolsivstoffs bzw. Sprengstoffs annähernd konstant ist. Verpuffung ist ein Vorgang bei dem ein Material verbrannt und chemische Energie freigesetzt wird.
Die folgende Tabelle 1 zeigt die meisten der interessanteren Chemikalien auf, die in der amerikanischen Sprengstoffindustrie verwendet werden. Verschiedene in der Tabelle aufgelistete Bestandteile können auf verschiedene Weise kombiniert werden, um eine Reihe von Charakteristiken in Deckschichten für verschiedene Anwendungen zu schaffen. TABELLE 1 GEWÖHNLICHE SPRENGSTOFFE UND BESTANDTEILE, DIE IN DER US-SPRENGSTOFFINDUSTRIE VERWENDET WERDEN Primäre hochwirkende Explosivstoffe Quecksilberfulminate Diazodinitrophenol Bleiazid Stickstoffmannite Bleistyphnat Sekundäre hochwirkende Exdlosivstoffe TNT (Trinitrotoluol) Tetryl (Trinitroenylmethylnitroamine) RDX (Cyclotrimethylentrinitramin) PETN (Pentaerythrin- NG (Nitroglyzerin) tetranitrat) AN (Ainoniumnitrat) Ammoniumpikrat Nitrostärke DNT (Dinitrotoluol) Picrinsäure EDNA (Ethylendiamindinitrat) Niedrigexpiosive Stoffe Schwarzpulver (Kaliumnitrat, Rauchloses Pulver Schwefel, Holzkohle) Nitrozellulose Schwarzpulver (Natriumnitrat, Schwefel, Holzkohle) Nichtexplosive Bestandteile Aluminium Wachse Diphenylamin Metallnitrate Mononitrotoluol Metalle (Aluminium, Holzzellulose, Mehle, Ferrosilizium) andere Brennmaterialien Paraffin, weitere Kohlenwasserstoffverbindungen, Kalk, Diphenylamin, Wachs, Schwefel, Kohlenstoff
In typisch anwendbaren Ausführungsformen der Erfindung kann das Target entweder im wesentlichen lichtundurchlässig oder transparent für die Laserstrahlung sein, das Deckmaterial ist im wesentlichen lichtundurchlässig, weist eine geringe Sublimationsenergie auf und ist im wesentlichen inert. Eine Schicht aus einem anderen Deckmaterial mit niedriger Temperaturleitfähigkeit und im wesentlichen transparent für die Strahlung, kann auf der Schicht des lichtundurchlässigen Deckmaterials auf dem Target aufgebracht sein. Die äußere Schicht kann im wesentlichen inert oder exothermisch sein.
In weiteren anwendbaren Ausführungsformen der Erfindung kann das Target entweder im wesentlichen lichtundurchlässig oder transparent bezüglich der Laserstrahlung sein, während das Deckmaterial im wesentlichen lichtundurchlässig und exothermisch ist.
In einer weiteren anwendbaren Ausführungsform der Erfindung ist das Target dauerhaft lichtundurchlässig für die Strahlung und das Deckmaterial ist dauerhaft transparent bezüglich der Strahlung und weist eine geringe Temperaturleitfähigkeit auf. Das Deckmaterial kann im wesentlichen inert sein oder exothermisch.
Eine Deckschicht ist in der Regel ungefähr 10 bis 20000 Mikrometer dick.
In den Ausführungsformen, wo das Deckmaterial im wesentlichen transparent für die Strahlung ist und die Strahlung in Impulsen mit Intervallen von 100 bis 200 Mikrosekunden ankommt, muß das Deckmaterial&sub1; das durch den ersten Impuls zerstört wurde, zwischen den Impulsen sehr schnell durch ein neues Deckmaterial ersetzt werden, das in sehr gutem Kontakt mit der Oberfläche des Target steht. Dies gelingt am besten mit einem hochgeschwindigkeitsgepulsten oder kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl auf das Deckmaterial, der auf den bestrahlten Bereich in einer derartigen Weise gerichtet ist, daß die flüssige Deckschicht vor jedem erfolgenden Impuls wiederhergestellt wird. Die Fließgeschwindigkeit muß zumindest der engsten Dimension des bestrahlten Bereiches geteilt durch das Zwischenimpulszeitintervall gleichkommen.
In der Ausführungsform, wo die Vielzahl von Impulsen nicht vom gleichen Auskoppelelement 17 kommt, aber ein Impuls vom Auskoppelelement 17 und ein Impuls vom Auskoppelelement 17' kommt, können zwei Methoden angewandt werden, um die Im- pulse ohne Hochgeschwindigkeitsaustausch des Deckmaterials anwenden zu können. Nach der ersten Methode sind der Spiegel 19', der Polarisator 15', oder beide, leicht geneigt, so daß die zwei Impulse das optische System nicht entlang dem gleichen Strahlengang queren und daher auf die Targetoberfläche an zwei verschiedenen bestrahlten Bereichen treffen, von denen jeder eine vollständig aufgebaute Deckschicht aufweist, die durch Standardeinrichtungen erreicht wird. Nach der zweiten Methode fahren die beiden Impulse auf dem gleichen Strahlengang durch das Lasersystem und werden danach an einem Strahlteiler aufgeteilt, wobei Vorteil aus der Tatsache gezogen wird, daß sie jeweils einen unterschiedlichen orthogonalen Status der Linearpolarisation haben. In diesem Fall wird jedes der beiden separaten Strahlenbündel durch ein separates Linsensystem auf das Target gebracht.
Vorläufige Ergebnisse zeigen an, daß der vorliegende Vorgang bei Nichtmetallen, wie zum Beispiel Keramiken und Polymeren, ebenso gut wie bei Metallen anwendbar ist. Die Entwicklung der laserinduzierten Spannungswelle und die Anwendung der Deckschichten kann unabhängig vom Targetmatenal annähernd die gleiche sein. Die Spannungswelle kann sich im Targetmaterial fortpflanzen und verändert seine Eigenschaften in vergleichbarer Weise, ob es nun Metall oder Nichtmetall ist.

Beispiele

In jedem der folgenden Beispiele wurde die erfindungsgemäße Laserschockhärtung eines Materials, wenn nicht anders angegeben, in nachstehend beschriebener Weise erreicht, unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ohne die Komponenten, die innerhalb des gestrichelten Polygons 10' liegen. Die grundlegenden Komponenten waren wie oben beschrieben ein Kigre-Oszillator 14, ein Vorverstärker 20 und zwei Strahlverstärker 23. Die Ausgaben von den Verstärkern 23 wurden auf eine gemeinsame Stelle an einem vorgegebenen Ort auf dem Target 11 gerichtet.
Jeder Spot bzw. jede Stelle hatte ungefähr einen Durchmes ser von 12 Millimetern und bedeckte einen Bereich von 1,13 Quadratzentimetern. Jeder Verstärker erzeugte eine durchschnittliche Leistungsabgabe von 40 Joule für eine Gesamtenergie auf dem Target von 80 Joule (70,7 Joule pro Quadratzentimeter).
Die Targetoberfläche war beschichtet, um die Laserenergie zu absorbieren und vermied dadurch jedes mögliche Schmelzen der Oberfläche. Der Standardvorgang war der, daß die Oberfläche zunächst mit Krylonmetallgrundierungsfarbe einge sprüht wurde, die eine rote Oxidgrundierung ist, bis kein blankes Metall mehr durch die Farbe sichtbar war. Nachdem die rote Grundierung getrocknet war, wurde schwarzer Krylon Einebnungslackspray in zwei Mehrbahnschritten darüber aufgesprüht. Keine rote Grundierung war nach der ersten Mehrbahnsprühung mehr sichtbar.
Die Grundierung, die in der Regel aufgebracht wurde, war Krylon Ruddy Brown Primer 1317, Sprühgrundierung für Metalle, rostbeständig. Zusätzlich zu den roten Oxidpigmenten enthält es verschiedene Lösungsmittel, die Aceton, Toluol bzw. Methylbenzol, Propan VM&P Naphtha und Isobutylalkohol enthalten. Der in der Regel aufgebrachte Lack war Krylon 1602 ultraglatter schwarzer Innen-/Außenlack. Er enthält ungefähr 32 Gewichtsprozent Pigmente (halb Ruß, halb Sihkat> 59 Prozent Lösungsmittel und 9 Prozent Harze bzw. Kunststoff. Die Lösungsmittel enthalten Aceton, Propan, Methylethylketon, PM Acetat, Xylol, Toluol, Methylisobutylketon und Butylalkohol. Beide Krylon Produkte werden durch die Borden Inc. in Columbus, Ohio hergestellt.
Nach dem Trocknen wurde das Probetarget in eine Halteeinspannung eingebracht. Jede Probe war dick genug, daß kein Unterstützungs- oder Impedanzanpassungsmaterial notwendig war, um jeglichen zurückreflektierten Schockimpuls zu eliminieren oder zu minimieren, der in einem dünneren Target den Netto-Betrag verbleibender gespeicherter Spannung auf der Schockoberfläche merklich reduzieren kann.
Ein transparentes Deckmaterial war über dem glatten schwarzen Lack angeordnet, um die Schockimpulse zu begrenzen und in das Probestück zu richten. Die Deckschicht enthält in der Regel fließendes Wasser, das von einer geeigneten Stelle oberhalb dem durch den Laserstrahl zu treffenden Bereich eingebracht und derart einjustiert wurde, daß es zu einer im wesentlichen flachen gleichförmigen Lage mit einer Dicke von ungefähr einem Millimeter ausgesprüht wird, wenn es über dem Bereich fließt, der Schockbehandelt werden soll.
Abhängig vom Material, der Größe und der Gestalt des Target und den gewünschten Resultaten wurde das Probestück entweder nur an einer Seite oder an beiden Seiten gleichzeitig getroffen. Frühere Versuche liefen mit hohen Energiefluenzen, was die Anzahl der Schüsse, die zum Erreichen eines vorgegebenen Behandlungsniveaus notwendig waren, reduzierte. Dies wurde durchgeführt durch Verringerung der Spotgröße und gleichzeitiger Erhöhung der Energiefluenz. Eine Energiefluenz von ungefähr 130 bis 150 Joule pro Quadratzentimeter wurde bei Verwendung eines Spots mit 6 Millimetern Durchmesser bei einer Eingangsleistung von ungefähr 40 Joule erreicht. Dieses Verfahren ist anwendbar, wo höhere Energiefluenzen notwendig sind, um das gewünschte Restdruckspannungsprofil im Material zu erreichen; wo Spots mit kleinerem Durchmesser den zu behandelnden Bereich abdecken; und wo eine beliebige Anzahl von sich vielfach überlappenden Spots den Bereich abdecken können.
Wo gewünscht, wurden bei einer ausgewählten Spotgröße geringere Energiefluenzen durch das Einbringen von optischen Dämpfungsfiltern im Strahlengang des Laserstrahls erreicht.

Beispiel A, geschärfte Laserimpulse

Eisenpulvermetallproben wurden unter Verwendung eines ungeschärften Laserimpulses und eines Laserimpulses, der mit einem Aluminiumfilm geschärft wurde laserschockbehandelt. Diese Proben wurden einer Analyse der verbleibenden Spannungen unterzogen, um die Wirkungen bei Verwendung eines geschärften gegenüber eines ungeschärften Laserimpulses zu bestimmen.
Die Proben, die mit einem ungeschärften Impuls behandelt wurden, entwickelten keine verbleibenden Oberflächendruckspannungen über dem Ausmaß, wie sie bei unbehandelten Basisproben gegenwärtig sind. Die Proben, die mit einem geschärften Laserimpuls laserbehandelt wurden, offenbarten ein signif ikantes Anwachsen der verbleibenden Oberflächendruckspannungen über den Basiswerten. Zusätzlich erstreckten sich die zurückbleibenden, durch den geschärften Impuls erzeugten Spannungen in eine größere Tiefe in die Proben. Das Ergebnis dieser Analyse ist in Tabelle 2 wiedergegeben. Negative Werte in der Tabelle stellen Druckspannungen dar. TABELLE 2 GEMESSENE VERBLEIBENDE SPANNUNGEN AUF EISENPULVERMETALLURGIEPROBEN BEI GESCHÄRFTEN UND UNGESCHÄRFTEN LASERIMPULSEN Gemessene verbleibende Spannungen in Kilopounds pro Quadratzoll (ksi) (1 Zoll = 2,54 cm; 1 ksi = 6895 Pa) an Nominale Energie pro Anzahl an den bezeichneten 35 Tiefen in Zoll Impuls (J/cm²) Impulsen Oberfläche Vor der Behandlung Schockbehandlung, nicht geschärfte Impulse Schockbehandlung, geschärfte Impulse

Beispiel B, überlappende Laserimpulse

Wenn große Bereiche behandelt werden sollen, ist es notwendig die Laserimpulse "überlappen" zu lassen. Der Begriff "überlappen" bezeichnet die Situation, in der die Stelle der nachfolgenden Laserbestrahlung in einer solchen Weise versetzt zum vorhergehenden Impuls ist, daß nur ein Abschnitt des zuerst bestrahlten Bereiches ein zweites Mal bestrahlt wird. Durch überlappende Impulse können größere Bereiche behandelt werden.
Die Wirkung der Verwendung zweier überlappender Laserimpulse auf dem verbleibenden Spannungszustand auf einen perlitischen, verformbaren Eisengußteststab wurde untersucht.
Die ungefähre Geometrie der Proben des Restspannungstests, die Anordnung der verwendeten überlappenden Impulse und die Orte der 20 Restspannungsmessungen sind in Fig. 6 dargestellt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 6 hat jeder Laserimpuls (der eine Energiefluenz von 70,7 Joule pro Quadratzentimeter aufweist) einen Durchmesser von 0,45 Zoll (11,4 Millimeter) und die Mittelpunkte der sich überlappenden Impulse waren um 0,25 Zoll (6,4 Millimeter) versetzt. Der zweite Impuls wurde ungefähr eine Minute nach dem ersten aufgebracht. Die Restspannungsmessungen wurden unter dem Zentrum der Proben in Längsrichtung an den mit X bezeichneten Stellen durchgeführt. Die gemessenen Restspannungen an diesen Stellen sind in Tabelle 3 wiedergegeben. Diese Messungen zeigen auf, daß die überlappenden Bereiche gleiche oder größere Oberflächenrestdruckspannungen entwickeln, wie vergleichsweise in den nicht überlappenden Bereichen. Es wurde ebenso festgestellt, daß sich die Restspannungen leicht über die Ränder der laserbestrahlten Bereiche hinaus erstrecken. Die in der Regel auf unbehandelten Oberflächen auftretende Restspannung ist geringer als -15 ksi (absoluter Wert), wie in Tabelle 5 aufgezeigt ist. TABELLE 3 GEMESSENE OBERFLÄCHENRESTSPANNUNGEN VON PERLITISCHEN, VERFORMBAREN GUSSEISENPROBEN, DIE MIT ÜBERLAPPTEN LASERIMPULSEN BEHANDELT WURDEN. FIGUR 6 BEZEICHNET DIE POSITION DER LASERIMPULSSTELLEN ZU JEDER GEMESSENEN RESTSPANNUNG. Lage Zoll Restspannungen ksi

Beispiel C. Mehrfachimpulse

Mehrfachimpulse innerhalb eines fluoreszierenden Bereichs ergeben eine höhere effektive Impulsrate, die sich in eine höhere Behandlungsrate überträgt. Für die besten Ergebnisse sollte die Farbbeschichtung durch alle Impulse unbeeinträchtigt bleiben, da nicht ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um sie alle 100 bis 200 Mikrosekunden zwischen den Impulsen im fluoreszierenden Bandbereich wiederherzustellen. In neuerer Zeit wird meistens mit Mehrfachschüssen auf die gleiche Farbe gearbeitet. Ungefähr drei Schüsse sind in der Regel das Limit zwischen Neubeschichtungen bei 150 Joule pro Quadratzentimeter, ebenso wie ungefähr 20 Schüsse bei 20 Joule pro Quadratzentimeter.
Die Größenordnung der Oberflächenrestdruckspannungen, die nach der Laserschockbehandlung verbleiben, können durch Anheben der Laserimpulsenergie oder durch Behandlung einer Stelle mit Mehrfachimpulsen vergrößert werden. Unter be stimmten Umständen kann die notwendige Laserimpulsenergie, um das gewünschte Ausmaß an Restspannungen verleihen zu können, derart sein, daß sie nicht mit einem einzelnen Impuls erreicht werden können. Daher ist die Möglichkeit das Niveau der Restspannungen durch Verwendung von Mehrfachim pulsen anzuheben, entscheidend für eine weit verbreitete Anwendung dieser Technologie.
Eine Reihe von Versuchen wurden mit Eisenpulvermetallproben durchgeführt, die mit 100 Joule pro Quadratzentimeter behandelt wurden. Zwei Bereiche wurden mit einem einzelnen Impuls behandelt und zwei andere Bereiche mit fünf Impulsen. Die gemessenen Restspannungen bei diesen unterschiedlichen Behandlungsbedingungen sind in Tabelle 4 wiedergegeben. Das Ergebnis demonstriert, daß Mehrfachimpulse auf einem vorgegebenen Bereich zusätzliche Restspannungen erzeugen über jene hinaus, die durch den ersten Impuls entwikkelt werden. Ferner erstrecken sich die Restspannungen bei Mehrfachimpulsen tiefer in die Probe hinein als jene bei Einfachimpulsen. TABELLE 4 GEMESSENE RESTSPANNUNGEN BEI EISENPULVERMETALLURGIEPROBEN MIT EINZEL- UND MEHRFACHIMPULSEN BEI EINER VORGEGEBENEN IMPULSENERGIE. Impuls- Anzahl an Restspannungen in ksi, an den bezeichneten Tiefen in Zoll energie Impulsen Oberfläche J/cm³

Beispiel D, verstärktes Glas

Bei Verwendung von verstärktem Glas im Verstärker kann die Impulsrate, die sicher aufgebracht werden kann, bevor eine thermische Zerstörung möglicherweise auftritt, ungefähr fünfmal stärker sein als bei unverstärktem Glas.
Eine perlitische, verformbare Gußeisenteststange wurde laserschockbehandelt mit verstärkten Glasstäben. Dieses Material spricht gut auf die Behandlung an und entwickelt signifikante Oberflächenrestdruckspannungen. Die entstandenen Restspannungen sind in Tabelle 5 wiedergegeben.
Diese Ergebnisse demonstrieren, daß verstärkte Glasstäbe, die notwendig sind, um die erforderlichen hohen Wiederholungsraten einer herkömmlichen Vorrichtung zu erreichen, Restspannungsniveaus erzeugen, die vergleichbar mit denen sind, die mit unverstärkten Glasstäben erreicht werden. TABELLE 5 GEMESSENE RESTSPANNUNGEN BEI PERLITISCHEN, VERFORMBAREN GUSSEISENSTANGEN, DIE MIT Q89 VERSTÄRKTEN GLASSTÄBEN IN DEN VERSTÄRKERN BEHANDELT WURDEN Impulsenergie Anzahl an Restspannungen i ksi, an den bezeichneten Tiefen in Zoll J/cm³ Impulse Oberfläche Grundlinie
Neben den hier aufgezeigten Ausführungsformen der Erfindung sind viele andere möglich. Es ist nicht beabsichtigt, hier alle möglichen gleichartigen Ausbildungen oder Abwandlungen der Erfindung aufzuzeigen. Ferner versteht sich von selbst, daß die hier verwendete Terminologie mehr beschreibend als einschränkend ist und verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindungen, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Schockwellen im Innern eines festen Materials in einem Target (11), hierbei umfaßt die Schockbehandlung des Target (11) die Schritte:

Richten einer Vielzahl von Impulsen (12) kohärenter Strahlung auf die Oberfläche des Materials, wobei die Strahlung im Mittel eine Energiefluenz von zumindest 10 Joule pro Quadratzentimeter und eine Anstiegszeit von weniger als 5 Nanosekunden aufweist, die innerhalb eines fluoreszierenden Bandbereichs mit der Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden liegt, bei einer Rate von einem Strahlungsimpuls pro 100 bis 200 Mikrosekunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anstiegsflanke jedes Strahlungsimpulses (12) dadurch geschärft wird, daß im Strahlengang des Impulses ein metallischer Film (18) mit einer Dicke von ungefähr 15 bis 500 nm (150 bis 5000 Angström) vorgesehen ist, der durch den Impuls verdampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der metallische Film (18) eine Beschichtung aus Aluminium auf einem Trägerfilm aufweist, der im wesentlichen transparent ist und verzerrungsfrei auf die Wellenfront der Strahlung wirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein im wesentlichen transparentes Deckmaterial (26) in innigem Kontakt mit der Oberfläche des festen Materials vorgesehen wird, während jeder Impuls darauf gerichtet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Laser die kohärente Strahlung liefert.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kohärente Strahlung durch einen Oszillator erzeugt wird, der einen hinteren Spiegel (13), einen Laserpumphohlraum (14) mit einem Laserstab; einen Polarisator (15), eine Pockelszelle (16) und ein Auskoppelelement (17) aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die kohärente Strahlung des Laserpumphohlraums (14) linear polarisiert ist und der Polarisator (15) die Strahlung in zwei linear polarisierte orthogonale Komponenten aufteilt, von denen eine (12B) wegreflektiert und die andere (12A) durchgelassen wird zur Pockelszelle (16), und wobei eine vorbestimmte Potentialdifferenz quer durch die Pockelszelle (16) erzeugt wird, um die kohärente Strahlung um eine viertel Wellenlänge (90º) zu verzögern, während sie zum Auskoppelelement (17) durchgelassen wird, welches die Hälfte davon zum Polarisator (15) zurückreflektiert, wobei die reflektierte Energie durch die Pockelszelle (16) zurückläuft mit einer weiteren Verzögerung um eine viertel Wellenlänge oder 90º, so daß die zurückgeworfene Strahlung um eine halbe Wellenlänge oder 180º außer Phase mit der vorwärtsgerichteten Strahlung der Komponente (12A) ist, wodurch sie die entgegengesetzte Polarisation (B) aufweist und sie durch den Polarisator (15) wegreflektiert wird, so daß sie nicht zum Laserpumphohlraum (14) zurückkehrt, und sich daher Laserenergie aufbaut und im Laserstab des Pumphohlraums gespeichert wird, da Schwingungen nicht auftreten können.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Potentialdifferenz quer durch die Pockelszelle (16) nach zumindest 100 Mikrosekunden für ungefähr 1 bis 5 Mikrosekunden lang auf Null reduziert wird; und danach die Verminderung der Potentialdifferenz quer durch die Pockelszelle (16) in Intervallen von ungefähr 100 bis 200 Mikrosekunden wiederholt wird; so daß die Pockelszelle (16) die Strahlung nicht verzögert, während die Potentialdifferenz reduziert ist, und der Oszillator zwischen 2 bis 50 Laserimpulse in jedem fluoreszierendem Bandbereich erzeugt, mit ausreichender Zeitdauer zwischen den Impulsen, um im Laserstab gespeicherte Energie aufzubauen, während die Fluoreszenzverluste minimal gehalten werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Potentialdifferenz quer durch die Pockelszelle (16) nach zumindest 100 Mikrosekunden für ungefähr 1 bis 5 Mikrosekunden lang auf Null reduziert wird; und die Pockelszelle (16) die Strahlung nicht verzögert, während die Potentialdifferenz reduziert ist, und der Oszillator einen Laserimpuls in jedem fluores zierendem Bandbereich erzeugt, mit ausreichender Zeitdauer vor dem Impuls, um im Laserstab gespeicherte Energie aufzubauen, während die Fluoreszenzverluste minimal gehalten werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Auskoppelelement (17) einen teilweise reflektierenden Spiegel aufweist, der die Hälfte der Energie der Impulse zu einer Einrichtung zum Schärfen von Impulsen durchläßt, die eine Beschichtung aus Aluminium (18) mit einer Dicke von ungefähr 15 bis 500 nm (150 bis 5000 Angström) auf einem Trägerfilm aufweist, welcher ein festes Polyestermaterial aufweist, das im wesentlichen transparent und dünn genug ist, um verzerrungsfrei auf die Wellenfront der Strahlung zu wirken.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei jeder Impuls, der die Einrichtung zum Schärfen von Impulsen durchläuft, auf Verstärkungseinrichtungen (20, 23) und von diesen auf das zu behandelnde feste Material gerichtet wird, und der ver stärkte Strahlungsimpuls durch eine Sammellinse (24) auf einen gewünschten Bereich auf der Oberfläche des Materials fokussiert wird, um darin einen durchschnittlichen Leistungsfluß von mindestens 10&sup7; Watt pro Quadratzentimeter, bei einer Impulslänge von 10 bis 1000 Nanosekunden, und un terhalb des Leistungsflusses zu erzeugen, der ein reflektierendes Plasma auf der Oberfläche des Materials bilden würde.

12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Laserpumphohlraum (14), der zuerst genannte Polarisator (15), eine zweite Pockelszelle (16') und ein zweites Auskoppelelement (17') einen zweiten Oszillator bilden, mittels dem die andere Komponente der Strahlung (12B) durch eine zweite Einrichtung zum Schärfen von Impulsen (18') und einen zweiten Polarisator (15') einen geschärften Impuls erzeugt, der zu Verstärkungseinrichtungen (20, 23) und von dort auf das zu behandelnde feste Material geleitet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Wirkungsweise des zweiten Oszillators gleichartig der des zuerst genannten Oszillators ist, wobei der zweite Oszillator ebenfalls einen annähernd rechtwinkeligen fluoreszierenden Bandbereich mit einer Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden erzeugt und die kohärente Strahlung des Laserpumphohlraums linear polarisiert ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der zuerst genannte Polarisator (15) die Strahlung in die beiden linear polarisierten orthogonalen Komponenten aufteilt, von denen eine (12B) zur zweiten Pockelszelle (16') reflektiert wird, und die andere (12A) durchgelassen wird zur zuerst genannten Pockelszelle (16), und wobei eine vorbestimmte Potentialdifferenz quer durch die zweite Pockelszelle erzeugt wird, um die kohärente Strahlung um eine viertel Wellenlänge (90º) zu verzögern, während sie zum zweiten Auskoppelelement (17') durchgelassen wird, welches die Hälfte davon zum zuerst genannten Polarisator (15) zurückreflektiert, wobei die reflektierte Energie durch die zweite Pockelszelle (16') zurückläuft mit einer weiteren Verzögerung um eine viertel Wellenlänge oder 90º, so daß die zurückgeworfene Strahlung um eine halbe Wellenlänge oder 180º außer Phase mit der vorwärtsgerichteten Strahlung der Komponente (12B) ist, wodurch sie die entgegengesetzte Polarisation (A) aufweist und sie durch den zuerst genannten Polarisator (15) durchgelassen wird, so daß sie nicht zum Laserpumphohlraum (14) zurückkehrt, so daß keine Schwingungen auftreten können und sich Laserenergie aufbaut und im Laserstab des Pumphohlraums gespeichert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Potentialdifferenz quer durch die zweite Pockelszelle (16') in einem vorbestimmten Augenblick, zumindest 100 Mikrosekunden nach der Erzeugung des Impulses durch den zuerst genannten Oszillator, für ungefähr 1 bis 5 Mikrosekunden lang auf Null reduziert wird; und während die Potentialdifferenz verringert ist, verzögert die zweite Pockelszelle (16') die Strahlung nicht, und der zweite Oszillator erzeugt einen zweiten Laserimpuls in jedem fluoreszierenden Bandbereich, mit ausreichender Zeitdauer zwischen dem ersten und zweiten Impuls, damit sich im Laserstab gespeicherte Energie aufbaut, während die Fluoreszenzverluste minimal gehalten werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das zweite Auskoppelelement (17') einen teilweise reflektierenden Spiegel aufweist, der die Hälfte der Energie des zweiten Impulses zur zweiten Einrichtung zum Schärfen von Impulsen durchläßt, die eine Beschichtung aus Aluminium (18') mit einer Dicke von ungefähr 15 bis 500 nm (150 bis 5000 Angström) auf einem Trägerfilm aufweist, welcher ein festes Polyestermaterial aufweist, das im wesentlichen transparent und dünn genug ist, um verzerrungsfrei auf die Wellenfront der Strahlung zu wirken.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der zweite Strahlungsimpuls (12B) ungefähr 100 bis 200 Mikrosekunden nach dem ersten Impuls auf dem Target auftrifft.

18. Vorrichtung zum Erzeugen von Schockwellen im Innern eines festen Materials in einem Target (11), zur Schockbehandlung des Target (11), mit

einer Lasereinrichtung (13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 23) zum Erzeugen und einer Einrichtung (19) zum Ausrichten einer Vielzahl von Impulsen (12) kohärenter Strahlung auf die Oberfläche des Materials, wobei die Strahlung im Mittel eine Energiefluenz von zumindest ca. 10 Joule pro Quadratzentimeter und eine Anstiegszeit von weniger als 5 Nanosekunden aufweist, innerhalb eines fluoreszierenden Bandbereichs, mit der Lebensdauer von ungefähr 0,5 bis 5 Millisekunden bei einer Rate von einem Strahlungsimpuls pro 100 bis 200 Mikrosekunden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Lasereinrichtung (13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 23) eine Laseroszillator- und eine Laserverstärkungseinrichtung aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Laserverstärkungseinrichtung einen Verstärkerstab aufweist, der im wesentlichen aus verstärktem Laserphosphatglas besteht.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Verstärkerstab in der Lage ist, zumindest der ungefähr fünffache Energie pro Längeneinheit des Verstärkerstabs standzuhalten, wie es typischerweise unverstärktes Laserphosphatglas auszuhalten imstande ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Verstärkerstab ein verstärktes Laserphosphatglas enthält, das die folgenden Eigenschaften aufweist:

spektroskopische Eigenschaften:

Scheitelwertwellenlänge (nm) 1054

Querschnitt (*10-20 cm²) 3.8

Lebensdauer der Fluoreszenz (µs) 350

Lebensdauer der Strahlung (µs) 308

Linienbreite (nm) FWH 21,2

Verlust bei der Laserwellenlänge (% * cm&supmin;¹) 0,08

optische Eigenschaften:

Brechungsindex (Nd) 1,559

Abbe-Zahl 63,6

thermische Eigenschaften:

Transformationspunkt (ºC) 495

thermische Ausdehnung (10&supmin;&sup7;/ºC) (20ºC-40ºC) 99

thermische Leitfähigkeit (W/m * K) 0,82

physikalische Eigenschaften:

Dichte (g/cm³) 3,14