一种高能量利用率激光冲击强化方法及冲击强化装置 |
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| 申请号 | CN202311659773.6 | 申请日 | 2023-12-06 | 公开(公告)号 | CN117737401A | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 中国科学院上海光学精密机械研究所; 南京中科神光科技有限公司; | 发明人 | 王建磊; 郭嘉盛; 周军; 朱小磊; 陈卫标; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高 能量 利用率 激光冲击强化 方法及冲击强化装置，所述激光冲击强化方法基频激光经 倍频器 倍频后，形成一级倍频激光和剩余基频激光，将剩余激光通过光路反射后再次通过倍频器进行倍频形成二级倍频激光，二级倍频激光与一级倍频激光经合束镜合束后进行激光冲击强化加工，所述二级倍频激光与一级倍频激光在时序上存在时序差；本发明对于经过一次倍频后剩余的基频激光进行二级倍频，并通过合束镜合束后进行激光冲击强化，相比传统激光冲击强化设备，转 化成 倍频激光的效率产生大于20%的转换效率提升，提高 激光器 的能量使用率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高能量利用率激光冲击强化方法，其特征在于，基频激光经倍频器倍频后，形成一级倍频激光和剩余基频激光，将剩余激光通过光路反射后再次通过倍频器进行倍频形成二级倍频激光，二级倍频激光与一级倍频激光经合束镜合束后进行激光冲击强化加工，所述二级倍频激光与一级倍频激光在时序上存在时序差。 |
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| 说明书全文 | 一种高能量利用率激光冲击强化方法及冲击强化装置技术领域[0001] 本发明涉及激光冲击强化技术领域，具体涉及一种高能量利用率激光冲击强化方法及冲击强化装置。 背景技术[0002] 激光以其优异特性广泛应用于多个领域，其中，激光冲击强化(LSP)技术基于高峰值功率(GW级)纳秒级脉冲激光与金属材料相互作用产生高压冲击波，使金属表层发生塑性形变，形成残余压应力、高密度位错和表面纳米化，大大改善其物理与机械性能，显著提升金属材料抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀等性能；作为一种先进的金属表面加工手段，激光冲击强化技术在航空航天及国防、船舶制造、核工业、石油化工、生物医疗、轨道交通、电网电力等领域核心部件的性能提升方面极具应用价值，并逐步形成了替代传统喷丸技术的发展趋势和高端产业应用的良性发展。 [0003] 当前，激光冲击强化技术，如研究激光与金属材料相互作用时如何有效提升诱导冲击波强度和激光能量利用率以产生有益的金属表层塑性形变，进而产生有效深度的高强度表层残余压应力，涉及到激光波长、脉冲能量、波形、约束层、光斑搭接及冲击次数及频率等工艺方法的探索。激光器作为激光冲击强化装备的核心器件，直接决定了装备的加工性能和应用成本，因此，如何有效利用激光器脉冲能量一直是激光冲击强化技术的研究重点和应用难点。 [0004] 一方面，目前激光冲击强化装备采用的激光器为1微米波段的激光器，如Nd：YAG激光器或Nd:Glass激光器，该波段激光器为当前最成熟的高能脉冲激光器，但1微米波段激光无法有效穿透激光冲击强化常用水介质约束层，导致激光冲击强化系统普遍存在激光能量利用不充分的问题。由于1微米激光容易被水介质吸收，导致激光脉冲大部分能量无法充分到达工件表层，带来激光能量的大比例损耗，因此在实际应用中，多采用薄水约束层（1‑2mm）方式以提高激光利用率，但水约束层太薄导致激光作用时容易带来水约束层的局部强幅度变化，进而降低水约束层对激光诱导等离子体冲击波的有效约束，最终导致实际加工效果的性能下降。 [0005] 另一方面，通过1微米激光倍频的方式产生倍频脉冲激光，在水约束层传输时损耗较低，从而有效改进水约束层厚度对激光吸收的影响，进而提升加工效果，但常规1微米激光倍频过程通常采用一次倍频方案，该方案的倍频效率会带来近一半的激光能量损耗，本质上降低了激光能量利用率。 发明内容[0006] 技术目的：针对上述现有激光冲击强化过程中激光能量利用率低的不足，本发明公开了一种能够对一次倍频后剩余基频激光进行有效利用的高能量利用率激光冲击强化方法及冲击强化装置。 [0007] 技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：一种高能量利用率激光冲击强化方法，基频激光经倍频器倍频后，形成一级倍频激光和剩余基频激光，将剩余激光通过光路反射后再次通过倍频器进行倍频形成二级倍频激光，二级倍频激光与一级倍频激光经合束镜合束后进行激光冲击强化加工，所述二级倍频激光与一级倍频激光在时序上存在时序差。 [0008] 优选地，本发明的二级倍频激光和一级倍频激光的时序差通过调节二级倍频激光的光路长度进行调节。 [0009] 本发明公开一种激光冲击强化装置，使用上述的激光冲击强化方法，包括基频光隔离器，在基频光隔离器的输出端设置一级倍频组件，所述一级倍频组件包括倍频器，在倍频器背离基频光隔离器的一侧设置用于将经倍频器倍频后的一级倍频激光和剩余基频激光分离的一级倍频激光分光镜，在一级倍频激光分光镜的剩余基频激光光路上设置用于将剩余基频激光进行倍频并反射至合束镜与一级倍频激光合束的二级倍频组件。 [0010] 优选地，本发明的一级倍频组件还包括设置在基频光隔离器与倍频器之间的基频光1/2波片以及设置在一级倍频激光分光镜与合束镜之间的倍频光1/2波片。 [0011] 优选地，本发明的一级倍频组件和二级倍频组件共用倍频器。 [0012] 优选地，本发明的二级倍频组件包括设置在一级倍频激光分光镜分出的剩余基频激光光路上的基频光反射镜，通过基频光反射镜将剩余基频激光沿原光路反射至倍频器，二级倍频组件在倍频器靠近基频光隔离器的一侧设置用于改变从倍频器输出的二级倍频激光光路的二级倍频激光分光镜和倍频激光反射镜，二级倍频激光分光镜与一级倍频激光分光镜相对设置，一级倍频激光和二级倍频激光被对应的分光镜反射后光路后相互平行，通过倍频激光反射镜将二级倍频激光反射至合束镜处与一级倍频激光进行合束，在倍频激光反射镜与合束镜之间设置第二倍频光1/2波片。 [0013] 优选地，本发明的二级倍频激光分光镜和一级倍频激光分光镜均与对应的激光光路呈45°夹角设置，倍频激光反射镜和二级倍频激光分光镜设置在可直线移动的滑台上，滑台移动方向与基频激光的光轴方向平行，通过滑台带动倍频激光反射镜和二级倍频激光分光镜移动进行二级倍频激光光路长度的调整。 [0014] 优选地，本发明的倍频器采用相位匹配切割的非线性倍频晶体。 [0015] 有益效果：本发明所提供的一种激光高能量利用率激光冲击强化方法及冲击强化装置具有如下有益效果：1、本发明对于经过一次倍频后剩余的基频激光进行二级倍频，并通过合束镜合束后进行激光冲击强化，相比传统激光冲击强化装备，转化成倍频激光的效率产生大于20%的转换效率提升，提高激光器的能量使用率。 [0016] 2、本发明的二级倍频激光和一级倍频激光通过合束器合束后进行产品的激光冲击强化，同时二级倍频激光和以及倍频激光之间存在时序差，在提高能量利用率的同时，可以通过对时序差的控制调整加工过程，利于对加工工艺的开发。 [0017] 3、本发明使用倍频激光作为冲击强化用激光，相较于现有技术使用1微米激光需要采用薄水约束层，本发明对水约束层厚度无过多要求，当激光器工作在高工作频率时，不仅能保证加工质量，同时可提高加工效率。附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。 [0019] 图1为本发明激光冲击强化装置结构图；图2为本发明激光冲击强化装置光路示意图； 其中，1‑基频光隔离器、2‑倍频器、3‑一级倍频激光分光镜、4‑合束镜、5‑基频光1/ 2波片、6‑倍频光1/2波片、7‑基频光反射镜、8‑二级倍频激光分光镜、9‑倍频激光反射镜、 10‑第二倍频光1/2波片、11‑滑台。 实施方式 [0020] 下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。 [0021] 本发明提供一种高能量利用率激光冲击强化方法，基频激光经倍频器倍频后，形成一级倍频激光和剩余基频激光，将剩余激光通过光路反射后再次通过倍频器进行倍频形成二级倍频激光，二级倍频激光与一级倍频激光经合束镜合束后进行激光冲击强化加工，合束镜为倍频光偏振合束镜，能够实现两路倍频激光的合束操作；所述二级倍频激光与一级倍频激光在时序上存在时序差，时序上有纳秒级时差；二级倍频激光和一级倍频激光的时序差通过调节二级倍频激光的光路长度进行调节。 [0022] 通过对经过一级倍频的剩余基频激光进行二级倍频，再次进行利用，可以提升激光能量利用率，降低能源损耗，同时提升激光冲击强化的效果；并且二级倍频激光与以及倍频激光之间存在可以调节的时序差，使得激光冲击强化并非恒定的状态，能够根据工艺需求进行调整。 [0023] 此外，如图1和图2所示，本发明公开一种激光冲击强化装置，使用上述的激光冲击强化方法，包括基频光隔离器1，在基频光隔离器1的输出端设置一级倍频组件，所述一级倍频组件包括倍频器2，在倍频器2背离基频光隔离器1的一侧设置用于将经倍频器2倍频后的一级倍频激光和剩余基频激光分离的一级倍频激光分光镜3，在一级倍频激光分光镜3的剩余基频激光光路上设置用于将剩余基频激光进行倍频并反射至合束镜4与一级倍频激光合束的二级倍频组件。 [0024] 具体的，本发明的一级倍频组件还包括设置在基频光隔离器1与倍频器2之间的基频光1/2波片5以及设置在一级倍频激光分光镜3与合束镜4之间的倍频光1/2波片6。 [0025] 为节省设备成本，同时便于光路的分布，在本发明的实施例中一级倍频组件和二级倍频组件共用倍频器2，具体的，倍频器2可以采用相位匹配切割的非线性倍频晶体，更利于保证基频光经4倍频器倍频后未发生转换的那部分基频光，其偏振态不发生偏转或出现退偏效应，优选地，倍频晶体选用一类相位匹配切割的KDP晶体。 [0026] 本发明的二级倍频组件包括设置在一级倍频激光分光镜3分出的剩余基频激光光路上的基频光反射镜7，通过基频光反射镜7将剩余基频激光沿原光路反射至倍频器2，二级倍频组件在倍频器2靠近基频光隔离器1的一侧设置用于改变从倍频器2输出的二级倍频激光光路的二级倍频激光分光镜8和倍频激光反射镜9，二级倍频激光分光镜8与一级倍频激光分光镜3相对设置，一级倍频激光和二级倍频激光被对应的分光镜反射后光路后相互平行，通过倍频激光反射镜9将二级倍频激光反射至合束镜4处与一级倍频激光进行合束，在倍频激光反射镜9与合束镜4之间设置第二倍频光1/2波片10。 [0027] 本发明的二级倍频激光分光镜8和一级倍频激光分光镜3结构相同，对基频激光为45°高透，对倍频光45°高反，并且均与对应的激光光路呈45°夹角设置，从而可以改变对应的倍频激光的光路方向，同时为便于对一级倍频激光和二级倍频激光的时序差进行调整，本发明的倍频激光反射镜9和二级倍频激光分光镜8设置在可直线移动的滑台11上，滑台11移动方向与基频激光的光轴方向平行，通过滑台11带动倍频激光反射镜9和二级倍频激光分光镜8移动进行二级倍频激光光路长度的调整。 [0028] 本发明所提供的激光冲击强化装置在使用时，如图2所示，图中虚线代表基频激光，实现代表倍频激光，为体现光路的反射，将基频光反射镜7的反射光路与入射光路分画在不同位置，但是实际使用时，反射光路与入射光路相重合；基频光隔离器1用于对激光冲击强化用激光器输出的基频光进行单向传输和反向隔离，防止基频光的反向传输损伤激光器，本发明的实施例中，基频光隔离器为1064nm或1053nm中心波长的光隔离器。 [0029] 激光冲击强化用激光器输出的基频光经所述的基频光隔离器1后依次传输到所述的基频光1/2波片3、二级倍频激光分光镜8和倍频器2分别产生一级倍频激光和剩余基频激光，调整基频光1/2波片3角度，使得基频激光经所述的倍频器2后所产生的一级倍频激光达到设定转化效率范围，优选地，转化效率范围调整到45%和65%之间。 [0030] 其中一级倍频激光经所述一级倍频激光分光镜3反射，入射传输通过所述的倍频光1/2波片6后，调整倍频光1/2波片6的角度，使得倍频激光1反射输出能量最大并用于后级激光冲击强化加工处理；经所述的合束镜4反射输出用于激光冲击强化加工；剩余基频激光经所述的基频光反射镜7反射后再次进入所述的倍频器2进行二次倍频产生二级倍频激光，二级倍频激光经二级倍频激光分光镜8反射后，传输到所述的倍频激光反射镜9，经再次反射，透射通过所述的第二倍频光1/2波片10后，经所述的合束镜4透射输出用于激光冲击强化加工，一级倍频激光和二级倍频激光经合束镜后光路重合，时序上有纳秒级时差，可以有效提高倍频激光合束后用于激光冲击强化加工时的激光能量利用率。可以根据需求调整滑台的行程，二级倍频激光经合束镜4透射输出后与一级倍频激光之间的时序差，使得交叠后的倍频激光用于激光冲击强化加工处理，并产生最佳的加工效果。 [0031] 下面提供一具体的实施例中部件的参数：基频光隔离器1通光口径Ф15mm，消光比1000:1，总外形尺寸Ф50×80mm；基频光 1/2波片5通光口径通光口径Ф15mm； 一级倍频激光分光镜3和二级倍频激光分光镜8通光口径Ф35mm；倍频器2通光口径Ф15mm，总外形尺寸Ф50×80mm；基频光反射镜7通光口径Ф 30mm；倍频激光反射镜9通光口径Ф35mm；倍频光1/2 波片6和第二倍频光1/2 波片10通光口径Ф15mm；合束镜，通光面口径12mm×12mm，总外形尺寸35mm×35mm；滑台11外形尺寸 120cm×40cm，总承重5kg，最大行程90 cm。 [0032] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
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