專利名稱：一種激光整形方法及整形后激光硬化處理設備及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光整形方法、激光硬化處理設備及方法。
背景技術：
金屬材料的激光表面硬化多由激光束經(jīng)聚焦形成的高斯圓光斑或者離焦后的光 斑直接作用于材料表面，通過數(shù)控機床控制工件與激光束的相對運動軌跡及光間的啟閉對 材料表面或其要求部位進行表面硬化。近年來，在激光表面硬化過程中為了實現(xiàn)一個均勻 的激光作用區(qū)，激光束往往被變換為均勻分布的矩形光斑或者線形光斑。要得到均勻分布 的矩形光斑或者線形光斑需要利用光柵對激光束整形，通過光柵整形后的激光束不同衍射 級的激光強度均相同，在這些硬化工藝中，為了獲得一個均勻的激光熱作用，將激光束的不 均勻分布變換為均勻分布，但是理論和實驗研究表明，均勻的激光照射不一定能得到均勻 的熱作用，更不能得到均勻的激光表面硬化區(qū)域的組織結構，由均勻強度分布的光斑作用 下產(chǎn)生的硬化層為月牙形分布。解決這一問題的根本方法是根據(jù)激光與材料相互作用原理，在每個光斑尺度內(nèi)控 制激光與材料的相互作用區(qū)域，對激光束空間強度分布進行優(yōu)化。進而有效地在每個光斑 尺度內(nèi)控制激光與材料發(fā)生相互作用的區(qū)域，賦予材料表面特殊的組織結構和性能。本發(fā) 明提出了一種激光表面硬化方法，這種方法的關鍵是利用二值位相光柵將激光束整形為具 有山谷形非均勻能級強度分布的點陣，然后用變換后的光斑進行激光表面硬化，這種激光 表面硬化的優(yōu)點是提高材料的硬度的同時，大大改善了材料的硬化層均勻度。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠?qū)⒓す馐螢?各衍射級之間為非均勻強度分布的激光整形方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠?qū)⒓す馐螢楦餮苌浼壷g為非均勻強 度分布的設備。本發(fā)明的第三目的在于提供一種采用各衍射級為非均勻強度分布的激光束進行 金屬表面硬化處理的方法。本發(fā)明的激光整形方法，具體步驟為1)根據(jù)衍射級數(shù)和各衍射級之間需要的強 度比，通過標量衍射理論計算出二值位相光學轉(zhuǎn)換元件的位相分布；幻根據(jù)二值位相光學 轉(zhuǎn)換元件的位相分布制作光學轉(zhuǎn)換元件；幻激光束照射步驟幻中的光學轉(zhuǎn)換元件，即可將 激光束光斑整形為各衍射級間強度分布不均勻的光斑。進一步，所述激光束光源為Nd: YAG激光器，波長為1064nm。進一步，所述激光整形方法中，衍射級的個數(shù)為三個，三個衍射級之間的強度比為進一步，所述激光束通過所述光學轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換得到的光斑為山谷型強度分布點 陣光斑。
進一步，步驟幻中制作光學轉(zhuǎn)換元件之前，通過優(yōu)化算法對所述光學轉(zhuǎn)換元件的 位相分布進行優(yōu)化。進一步，步驟幻中光學轉(zhuǎn)換元件的制作步驟為1)根據(jù)光學轉(zhuǎn)換元件的位相分 布，利用電子束圖形發(fā)生器制作掩模板；2)通過接觸式光刻法，將掩模板圖案轉(zhuǎn)移到涂有 光刻膠的光學玻璃上；幻利用感應耦合等離子刻蝕技術或者濕法刻蝕技術，將圖案刻蝕到 光學玻璃上得到光學轉(zhuǎn)換元件。本發(fā)明的激光硬化處理設備，包括激光器、擴束鏡、光學轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，光 學轉(zhuǎn)換元件設置在擴束鏡和聚焦透鏡之間，激光器照射擴束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)所述光學轉(zhuǎn) 換元件和聚焦透鏡在聚焦透鏡焦平面上得到各衍射級間強度分布不均勻的光斑。本發(fā)明的激光硬化處理的方法，具體為在上述激光硬化處理設備的聚焦透鏡的 焦平面處設置待處理材料，通過激光器照射擴束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)光學轉(zhuǎn)換元件和聚焦透 鏡，各衍射級間強度分布不均勻的光斑照射所述待處理材料。進一步，所述待處理材料為金屬材料。進一步，所述金屬材料為鐵、銅或者合金材料。本發(fā)明根據(jù)激光與材料相互作用原理，在每個光斑尺度內(nèi)控制激光與材料的相互 作用區(qū)域，對激光束空間強度分布進行優(yōu)化。進而有效地在每個光斑尺度內(nèi)控制激光與材 料發(fā)生相互作用的區(qū)域，賦予材料表面特殊的組織結構和性能。通過特殊的二值位相光學 轉(zhuǎn)換元件，得到各衍射級非均勻強度點陣分布的光斑，采用此種光斑對材料表面進行激光 硬化，使材料硬度增加的同時，大大提高了硬化層的均勻度。


圖1為本發(fā)明中二值位相光柵的一個周期位相分布示意圖；圖加為強度比為1 2 3 二值位相光柵的單個周期位相分布圖；圖2b為強度比為1:2:3 二值位相光柵的強度分布圖；圖3為二值位相光柵的表面輪廓；圖4為光束變換后光斑強度分布測試實驗系統(tǒng)；圖fe為二值位相光柵對光束變換后的兩維強度分布圖；圖恥為二值位相光柵對光束變換后的三維強度分布圖；圖6a為5x5等強度分布點陣硬化后的材料表面形貌；圖6b為1 2 3山谷型強度分布點陣硬化后的材料表面形貌；圖7a為光斑為5x5等強度分布點陣硬化后的材料硬化層層深圖；圖7b為光斑為1:2:3山谷型強度分布點陣硬化后的材料硬化層層深圖；圖8為5x5等強度分布點陣光斑硬化后材料沿深度方向硬度分布曲線；圖9為1 2 3山谷型強度分布點陣光斑硬化后材料沿深度方向硬度分布曲線。
具體實施例方式本發(fā)明的激光整形方法，具體步驟為1)根據(jù)衍射級數(shù)和各衍射級之間需要的強 度比，通過標量衍射理論計算出二值位相光學轉(zhuǎn)換元件的位相分布；幻根據(jù)二值位相光學 轉(zhuǎn)換元件的位相分布制作光學轉(zhuǎn)換元件；幻激光束照射步驟幻中的光學轉(zhuǎn)換元件，即可將激光束光斑整形為各衍射級間強度分布不均勻的光斑。本發(fā)明的激光硬化處理設備，包括激光器、擴束鏡、光學轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，光 學轉(zhuǎn)換元件設置在擴束鏡和聚焦透鏡之間，激光器照射擴束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)所述光學轉(zhuǎn) 換元件和聚焦透鏡在聚焦透鏡焦平面上得到各衍射級間強度分布不均勻的光斑。本發(fā)明的激光硬化處理的方法，具體為在上述激光硬化處理設備的聚焦透鏡的 焦平面處設置待處理材料，通過激光器照射擴束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)光學轉(zhuǎn)換元件和聚焦透 鏡，各衍射級間強度分布不均勻的光斑照射所述待處理材料。其中，激光器的選擇和衍射級數(shù)以及衍射級之間的強度比可以根據(jù)實際加工的材 料的種類以及被加工元件的結構來選擇。二值位相光學轉(zhuǎn)換元件為二值位相光柵。激光硬 化處理設備中聚焦透鏡根據(jù)應用的需求可以通過調(diào)整聚焦透鏡的焦距以及二值位相光柵 的單個周期位相的大小來改變光束變換后的點陣間距，比如，光波長為λ = 1.064μπι，元 件直徑為50mm，單個位相周期為d = 250微米，透鏡焦距為f = 150mm的情況下，點陣中微 光斑的間距為Δ = λ f/d ^ 0. 6mm.因此可以根據(jù)不同情況選用焦距不同的透鏡，從而得 到特定的光斑分布。圖1是二值位相光柵的一個周期位相分布示意圖，圖中白色單元代表位相延遲為 Φ i，黑色單元代表位相延遲為Φ2，一個周期的位相分布是由多個網(wǎng)格化的單元組成，由圖 可見，本發(fā)明中所使用二值位相光柵是一種在透明介質(zhì)上形成的具有兩維均勻矩形孔徑位 相分布的位相版，位相為兩值。本發(fā)明根據(jù)激光表面硬化的應用需求，確定了所設計二值位相光柵的強度比為 I(O) ι ω 1(2) = ι 2 3，根據(jù)標量衍射理論，如果假設入射光為平頂光束則對于給定
位相版，其遠場衍射場強度分布為 Z0 ο = /(0,0) = (^;)2|[exp(7^) -+ exp(7^)|2
N
=(吾)2|exp(從)-exp( 2 sinc2(》)sinc2(^·)
d'
I-,
=(^r)2|exp(_/02)-expCM)|2 sinc2(^)sinc2(^)
Jexpj-^
m, 1、 η . 1、 —(χ, +-) + —(ν, +-) d 1 2 d 2
m
1、 η , 1、
玄力+玉) 其中λ是激光波長，f是透鏡焦距，m和η為衍射級次。均勻采樣編碼一個周期 的位相分布是由多個網(wǎng)格化的單元組成，白色單元代表位相延遲為，黑色單元代表位相 延遲為Φ2(圖1)，L是組成單個周期位相的單元個數(shù)，相對于原點的第1個單元的坐標是 (X1, Y1).對于該二值位相光柵，其評價函數(shù)定義為
權利要求
1.一種激光整形方法，具體步驟為1)根據(jù)衍射級數(shù)和各衍射級之間需要的強度比， 通過標量衍射理論計算出二值位相光學轉(zhuǎn)換元件的位相分布；幻根據(jù)二值位相光學轉(zhuǎn)換 元件的位相分布制作光學轉(zhuǎn)換元件；；3)激光束照射步驟幻中的光學轉(zhuǎn)換元件，即可將激光 束光斑整形為各衍射級間強度分布不均勻的光斑。
2.如權利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光束光源為Nd:YAG激光器， 波長為1064nm。
3.如權利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光整形方法中，衍射級的個 數(shù)為三個，三個衍射級之間的強度比為1 2 3。
4.如權利要求3所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光束通過所述光學轉(zhuǎn)換元 件轉(zhuǎn)換得到的光斑為山谷型強度分布點陣光斑。
5.如權利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，步驟2)中制作光學轉(zhuǎn)換元件之前， 通過優(yōu)化算法對所述光學轉(zhuǎn)換元件的位相分布進行優(yōu)化。
6.如權利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，步驟2)中光學轉(zhuǎn)換元件的制作步 驟為1)根據(jù)光學轉(zhuǎn)換元件的位相分布，利用電子束圖形發(fā)生器制作掩模板；2)通過接觸 式光刻法，將掩模板圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學玻璃上；幻利用感應耦合等離子刻蝕技 術或者濕法刻蝕技術，將圖案刻蝕到光學玻璃上得到光學轉(zhuǎn)換元件。
7.一種激光硬化處理設備，其特征在于，包括激光器、擴束鏡、如權利要求1-6任一項 所述的光學轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，該光學轉(zhuǎn)換元件設置在擴束鏡和聚焦透鏡之間，激光器 照射擴束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)所述光學轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡在聚焦透鏡焦平面上得到各衍 射級間強度分布不均勻的光斑。
8.一種采用如權利要求7所述的激光硬化處理設備進行激光硬化處理的方法，具體 為激光硬化處理設備的聚焦透鏡的焦平面處設置待處理材料，通過激光器照射擴束鏡產(chǎn) 生平行光束經(jīng)光學轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，各衍射級間強度分布不均勻的光斑照射所述待處 理材料。
9.如權利要求8所述的激光整形方法，其特征在于，所述待處理材料為金屬材料。
10.如權利要求9所述的激光整形方法，其特征在于，所述金屬材料為鐵、銅或者合金 材料。
全文摘要
本發(fā)明的激光整形方法及整形后激光硬化處理設備及方法，通過設置特殊形式的光柵對激光進行整形進而通過整形后的激光，對待處理材料進行硬化處理。經(jīng)光柵整形后的激光各衍射級之間的強度不同，用此種光斑進行激光表面硬化，這種激光表面硬化的優(yōu)點是提高材料的硬度的同時，大大改善了材料的硬化層均勻度。
文檔編號C21D1/09GK102141682SQ201010103800
公開日2011年8月3日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權日2010年1月29日
發(fā)明者何秀麗, 寧偉健, 李少霞, 虞鋼, 鄭彩云 申請人:中國科學院力學研究所