專利名稱：一種光隔離激光沖擊強(qiáng)化雙面對(duì)沖裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光加工領(lǐng)域，尤其是一種激光沖擊強(qiáng)化裝置，適用于對(duì)沖擊件 雙面沖擊。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化Laser Shock Processing，簡(jiǎn)寫LSP，又稱為激光噴丸，是利用高功 率密度GW/cm2量級(jí)、短脈沖ns量級(jí)強(qiáng)激光沖擊覆蓋在金屬表面的激光吸收保護(hù)膜或直接 沖擊金屬表面，其吸收激光能量后溫度迅速升高，發(fā)生氣化、電離、膨脹，誘發(fā)高幅值沖擊 波，即光能轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊波機(jī)械能；高達(dá)數(shù)GPa的沖擊波壓力使材料表層發(fā)生微觀塑性變形， 形成殘余壓應(yīng)力層，從而有效地改善了金屬材料的機(jī)械性能，特別能大幅度提高材料的疲 勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始激光沖擊處理技術(shù)的研究，從所查資料看，主要是對(duì)沖 擊件單面沖擊的試驗(yàn)。強(qiáng)激光作用于沖擊件的一個(gè)表面，沖擊件會(huì)朝一個(gè)方向發(fā)生變形。目 前通常利用半透半反分光鏡對(duì)激光器發(fā)射出的激光分光來(lái)得到兩束分別作用于沖擊件兩 表面的激光。半透半反分光鏡分光時(shí)與光束的偏振有關(guān)。在激光器剛開(kāi)始工作時(shí)，激光工 作物質(zhì)內(nèi)部溫度相同，隨著溫度的升高直到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，工作物質(zhì)內(nèi)部形成溫度梯度，引 起退偏效應(yīng)，輸出的激光不再為線偏振光，而是部分偏振光，部分偏振光經(jīng)過(guò)分光鏡，會(huì)得 到兩束能量不均的光束。不同能量的激光束作用于沖擊件兩面時(shí)，引起的沖擊波壓力不同， 會(huì)造成沖擊件的變形。另外，也可以對(duì)分光后的兩束激光分別聚焦，利用其焦點(diǎn)前附近的光斑作用于沖 擊件表面，經(jīng)過(guò)聚焦鏡分別聚焦的兩束激光作用于沖擊件正反兩面時(shí)，若其作用時(shí)間不同， 或光斑大小有差異，在兩面形成的沖擊波壓力也不同，沖擊件在沖擊過(guò)程中也會(huì)發(fā)生變形。同時(shí)，高功率脈沖激光器作為激光沖擊強(qiáng)化處理中的關(guān)鍵設(shè)備之一，在主脈沖激 光束聚焦作用到待沖擊工件表面之前，激光工作物質(zhì)Nd:YAG屬于四能級(jí)系統(tǒng)，在光泵開(kāi) 始時(shí)，Nd:YAG就達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，形成自發(fā)輻射。由于光泵能量比較高，并且Nd:YAG增益 很大，自發(fā)輻射在調(diào)Q開(kāi)關(guān)尚未打開(kāi)時(shí)仍可以輸出激光，消耗放大器工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子 數(shù)。放大自發(fā)輻射產(chǎn)生的是長(zhǎng)脈沖序列，先于激光器主脈沖作用于沖擊件表面，沖擊件表面 反射使部分激光又返回激光放大器光路，如果放大器的光學(xué)表面的反射能夠引起足夠的反 饋，就會(huì)形成自激振蕩，又通過(guò)放大器輸出激光。自激振蕩對(duì)激光器和激光放大器的性能有 很大影響，對(duì)于放大器而言，自激振蕩的存在使得放大器消耗了大量的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，降低了 放大器激光工作物質(zhì)的增益倍數(shù)，影響了激光放大器尤其是高功率激光放大器的性能。自 激振蕩的激光為長(zhǎng)脈沖，在激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，長(zhǎng)脈沖激光到達(dá)靶體，將燒蝕金屬?zèng)_擊件，導(dǎo) 致沖擊強(qiáng)化的失敗。根據(jù)我們查閱的相關(guān)文件，申請(qǐng)?zhí)枮?00810019757. X的中國(guó)專利“一種基于激 光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法及裝置”主要是利用分光束方法雙面沖擊板材 成形，并未涉及到平均分光的方法，也未涉及如何抑制或隔離返回光的方法。專利號(hào)為US005744781 的美國(guó)專利 “Method and Apparatus for Laser Shock Peening” 所述雙光 束對(duì)沖金屬葉片，其分光束是在激光器內(nèi)部分光后再分別對(duì)兩束光放大，也未涉及如何抑 制或隔離返回光的方法。專利號(hào)為US6296448B1的美國(guó)專利“Simultaneous offsetdual sided laser shock peening”所述雙光束對(duì)沖金屬葉片，主要是敘述了兩面同時(shí)對(duì)沖金屬 葉片，未涉及具體的分光技術(shù)，也未涉及對(duì)靜態(tài)光的抑制。由天津大學(xué)精密儀器學(xué)院超快激光研究室的王清月等人發(fā)表于2000年5月的 《中國(guó)科學(xué)A輯》上的文章《飛秒激光啁啾脈沖放大過(guò)程中的放大自發(fā)輻射及其抑制》，主要 運(yùn)用空間濾波器、Pockelscell盒、可飽和吸收體、色散棱鏡系統(tǒng)等技術(shù)方法對(duì)啁啾脈沖放 大器內(nèi)部的放大自發(fā)輻射進(jìn)行抑制；由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所程小勁、徐劍 秋2007年10月發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報(bào)》上的文章《板條激光放大器中寄生振蕩的研究》，將工 作物質(zhì)的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面加工成不平行來(lái)抑制放大自發(fā)輻射；申請(qǐng)?zhí)?3150509. 0的中國(guó)專 利“抑制激光波導(dǎo)寄生振蕩的方法”，將工作物質(zhì)側(cè)面磨毛來(lái)抑制放大自發(fā)輻射；申請(qǐng)?zhí)枮?200510094467. 8的中國(guó)專利“可飽和吸收光隔離器”，是在振蕩級(jí)與放大級(jí)或放大級(jí)與放大 級(jí)之間放置可飽和吸收體，抑制放大自發(fā)輻射。但在文獻(xiàn)與專利中均未涉及到激光應(yīng)用中 由于沖擊件的反射引起的噪聲光。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)由于作用于沖擊件正反表面的兩束激光的時(shí)間不同、光斑不同 引起沖擊件變形的不足，本實(shí)用新型提供一種光隔離激光沖擊強(qiáng)化雙面對(duì)沖裝置，使兩束 作用光完全相同，避免了沖擊件的變形。并且有效地抑制了激光沖擊件表面反射回的雜散 光引起的噪聲光，提高了光束輸出的質(zhì)量和脈沖的峰值功率。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是包括高功率脈沖激光器、水循 環(huán)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、波片型光隔離器、半透半反分光鏡、若干個(gè)45°全反射鏡、步進(jìn) 電機(jī)、導(dǎo)軌和兩個(gè)聚光鏡。高功率脈沖激光器的輸出為線偏振光，能量在10J級(jí)別，脈寬為 ns級(jí)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制激光器的輸出及水循環(huán)系統(tǒng)在待沖件表面加載水約束層，波片 型光隔離器放置在激光器輸出光路上，隔離了激光沖擊強(qiáng)化時(shí)由沖擊件表面反射回的雜散 光，避免了這部分反射光引起的自激振蕩。經(jīng)隔離器輸出的激光為圓偏振光，圓偏振光經(jīng)過(guò) 隔離器后的分光鏡，平均分成兩束能量相同、時(shí)間相同的透射和反射光，通過(guò)若干個(gè)45°全 反射鏡對(duì)兩束光的光程進(jìn)行調(diào)整，使兩束光到達(dá)沖擊件正反兩面時(shí)經(jīng)過(guò)的光程相等，光程 相等確定了雙光束到達(dá)沖擊面的同時(shí)性。兩個(gè)相同的聚焦鏡分別安裝在沖擊件兩側(cè)的導(dǎo)軌 上，對(duì)兩束光分別聚焦，通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)來(lái)精確控制聚焦鏡的位置，使作用于沖擊件光斑 尺寸可調(diào)，并且保證沖擊件兩面的光斑尺寸相同。聚焦光斑在作用于沖擊件時(shí)，沖擊件表面的法線方向相對(duì)于激光方向要有小角度 (0.5° Γ )的傾斜，減少自激振蕩的激光通過(guò)沖擊件的反射直接進(jìn)入光路。所述的波片隔離器包含一個(gè)起偏器和一個(gè)λ/4波片。激光器的出射光束經(jīng)過(guò)起 偏器后為一線偏振光。為減少能量的損失，在激光器內(nèi)部的一放與二放之間、三放與四放之 間、五放與六放之間通過(guò)加載起偏元件使輸出的激光為線偏振光。波片隔離器中的起偏器 起偏方向與激光器輸出的線偏振光的偏振方向相同。λ/4波片的光軸與起偏器起偏方向成 45°角，線偏振光經(jīng)過(guò)λ/4波片后，在右手坐標(biāo)系中為右旋圓偏振光。右旋圓偏振光經(jīng)過(guò)
4反射后返回的光為左旋圓偏振光。左旋圓偏振光返回經(jīng)過(guò)λ/4波片后為一振動(dòng)方向與起 偏器起偏方向垂直的線偏振光，此時(shí)起偏器相當(dāng)于一個(gè)檢偏器，此返回光被反射出光路。本實(shí)用新型的有益效果是由于采用波片型光隔離器對(duì)自激振蕩放大的光進(jìn)行隔 離，既可以起到光隔離，又能滿足本裝置分光的要求，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因此適用于 本裝置。同時(shí)，將兩面聚焦鏡分別安裝在由步進(jìn)電機(jī)精確控制的導(dǎo)軌上，對(duì)光斑能夠精確控 制，從而保證了兩束作用光完全相同，避免了沖擊件的變形。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是雙面沖擊部分示意圖；圖3是本實(shí)用新型所述波片型光隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖圖中，1.輸出線偏振光的高功率脈沖激光器；2.波片型光隔離器；3. 45°半透半 反分光鏡；4 8. 45°全反射鏡；9 10.步進(jìn)電機(jī)控制的導(dǎo)軌；11 12.聚焦鏡；13.沖擊 件；14 15.噴水嘴；16.吸收層；17.起偏器；18. λ /4波片；19.反射鏡。
具體實(shí)施方式
裝置實(shí)施例如圖1所示的激光沖擊強(qiáng)化沖擊件雙面對(duì)沖系統(tǒng)，整個(gè)裝置包括輸出為 線偏振光高功率脈沖激光器1，波片型光隔離器2置于高功率脈沖激光器1的輸出光路上，使出 射光為圓偏振光，45°半透半反分光鏡3置于波片型光隔離器2之后，將激光分成能量、時(shí)間相 同的透射和反射光。透射光先后經(jīng)過(guò)兩面夾角為90°的45°全反射鏡4、5的反射，反射光先 后兩面平行的45°全反射鏡6、7和與全反射鏡7夾角為90°的45°全反射鏡8的反射，分別 到達(dá)沖擊件13的正反兩面，兩束光到達(dá)沖擊件兩面的光程相等。分別在沖擊件13與45°全反 射鏡8之間的光路上放置聚焦鏡11，在沖擊件13與45°全反射鏡5之間的光路上放置聚焦鏡 12，聚焦鏡11和聚焦鏡12焦距相等，分別安置在由步進(jìn)電機(jī)控制的導(dǎo)軌9和10上。沖擊件13 與45°全反射鏡5或全反射鏡8之間的距離要大于聚焦鏡的焦距。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的精確控制， 聚焦鏡在導(dǎo)軌9、10上運(yùn)動(dòng)，可以調(diào)整作用于沖擊件13表面的光斑大小，并使正反兩面的光斑 相同。在利用45°全反射鏡調(diào)整光路時(shí)，并不只限于圖1所示的4 8，可以使用更多片全反 射鏡，只要保證到達(dá)沖擊件13正反兩面的兩束光的光程相等，能量損失不大。如圖2所示的雙面沖擊部分，沖擊件被固定，噴水嘴14、15噴水速度相同，在沖擊 件表面形成水幕。沖擊件上涂覆吸收層16。沖擊件13表面法線相對(duì)于激光方向成0. 5° 1°的傾斜，減少自激振蕩的激光在沖擊件表面反射回光路。如圖3波片型光隔離器示意圖，波片型光隔離器2包含起偏器17，λ /4波片18。 起偏器的起偏方向與激光器輸出的線偏振光的偏振方向一致。脈沖激光經(jīng)過(guò)起偏器17，為 線偏振光。λ/4波片18與線偏振光的偏振方向成45°角，線偏振光經(jīng)過(guò)λ/4波片18后 為右旋圓偏振光。由反射鏡19反射回的激光經(jīng)過(guò)λ/4波片18后為振動(dòng)方向與偏振片17 起偏方向垂直的線偏振光，從而使這一部分返回光被反射出光路。 通過(guò)比較了未裝置波片隔離器及裝置波片隔離器后的靜態(tài)光實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，未裝 置波片隔離器時(shí)靜態(tài)光達(dá)到4. 3J，甚至更高，加載波片隔離器后靜態(tài)光能量小于300mJ。
權(quán)利要求一種光隔離激光沖擊強(qiáng)化雙面對(duì)沖裝置，包括高功率脈沖激光器、水循環(huán)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、波片型光隔離器、半透半反分光鏡、若干個(gè)45°全反射鏡、步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌和兩個(gè)聚光鏡，其特征在于高功率脈沖激光器的輸出為線偏振光，能量在10J級(jí)別，脈寬為ns級(jí)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制激光器的輸出及水循環(huán)系統(tǒng)在待沖件表面加載水約束層，波片型光隔離器放置在激光器輸出光路上，經(jīng)隔離器輸出的圓偏振光經(jīng)過(guò)隔離器后的分光鏡，平均分成兩束能量相同、時(shí)間相同的透射和反射光，通過(guò)若干個(gè)45°全反射鏡對(duì)兩束光的光程進(jìn)行調(diào)整，使兩束光到達(dá)沖擊件正反兩面時(shí)經(jīng)過(guò)的光程相等，兩個(gè)相同的聚焦鏡分別安裝在沖擊件兩側(cè)的導(dǎo)軌上，對(duì)兩束光分別聚焦，通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)來(lái)精確控制聚焦鏡的位置，并且保證沖擊件兩面的光斑尺寸相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光隔離激光沖擊強(qiáng)化雙面對(duì)沖裝置，其特征在于所述 的沖擊件表面的法線方向相對(duì)于激光方向要有0.5° 1°的傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光隔離激光沖擊強(qiáng)化雙面對(duì)沖裝置，其特征在于所述 的波片隔離器包含一個(gè)起偏器和一個(gè)λ/4波片，激光器的出射光束經(jīng)過(guò)起偏器后為一線 偏振光，在激光器內(nèi)部的一放與二放之間、三放與四放之間、五放與六放之間通過(guò)加載起偏 元件使輸出的激光為線偏振光，波片隔離器中的起偏器起偏方向與激光器輸出的線偏振光 的偏振方向相同，λ/4波片的光軸與起偏器起偏方向成45°角。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種光隔離激光沖擊強(qiáng)化雙面對(duì)沖裝置，高功率脈沖激光器的輸出為線偏振光，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制激光器的輸出及水循環(huán)系統(tǒng)在待沖件表面加載水約束層，波片型光隔離器放置在激光器輸出光路上，經(jīng)隔離器輸出的圓偏振光經(jīng)過(guò)隔離器后的分光鏡，平均分成兩束能量相同、時(shí)間相同的透射和反射光，通過(guò)若干個(gè)45°全反射鏡對(duì)兩束光的光程進(jìn)行調(diào)整，使兩束光到達(dá)沖擊件正反兩面時(shí)經(jīng)過(guò)的光程相等，兩個(gè)相同的聚焦鏡分別安裝在沖擊件兩側(cè)的導(dǎo)軌上，對(duì)兩束光分別聚焦，通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)來(lái)精確控制聚焦鏡的位置，并且保證沖擊件兩面的光斑尺寸相同。本實(shí)用新型可以起到光隔離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，避免了沖擊件的變形。
文檔編號(hào)C21D10/00GK201625837SQ20102012574
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者何艷磊, 李國(guó)杰 申請(qǐng)人:西安天瑞達(dá)光電技術(shù)發(fā)展有限公司