一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光脈寬調(diào)制的改性延壽新方法，其特征在于：通過改變?nèi)肷涔庵g的相對延遲，調(diào)制后向波的脈沖寬度；該后向波再通過雙光柵線性調(diào)頻脈沖放大法調(diào)制脈寬，采用脈寬調(diào)制技術(shù)能得到最佳激光功率和功率密度的脈沖激光。激光沖擊產(chǎn)生的高幅度沖擊波，使材料發(fā)生彈性塑性變形，并在金屬表層形成密集的位錯、空位及空位團。這些效應(yīng)能改變激光沖擊金屬的顯微結(jié)構(gòu)和機械性能，從而實現(xiàn)激光對材料表面的高質(zhì)量改性延壽。
【專利說明】一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光表面延壽改性技術(shù)，特指一種基于激光脈寬調(diào)制的納秒激光對合金材料進行改性延壽的新方法，尤其適用于鋁合金、鈦合金及鎳基合金材料的表面激光改性與延壽。【背景技術(shù)】
[0002]目前激光改性延壽設(shè)備昂貴，生產(chǎn)效率較低，導(dǎo)致使用成本較高，只能局限在技術(shù)含量較高的航空工業(yè)中使用，在汽車制造、機械加工等普通工業(yè)中無法應(yīng)用。主要原因在于高能脈沖激光器造價高昂；且由于制造工藝復(fù)雜，加之要采用大尺寸的工作物質(zhì)，高功率的泵浦燈，高精度的鍍膜鏡片，致使激光改性延壽處理用的激光器設(shè)備昂貴，激光改性延壽處理的效率有待提高；目前國內(nèi)激光改性延壽處理所用的激光器大約幾十秒才能沖擊一次，國外應(yīng)用于生產(chǎn)的先進激光器重復(fù)頻率也僅在IHz左右，生產(chǎn)效率不高。這就需要發(fā)展新型的高重復(fù)頻率激光器，并使其在滿足能量要求的前提下實現(xiàn)光柵沖擊，這樣一次可以沖擊幾個甚至十幾個光斑，大大提高生產(chǎn)效率。
[0003]采用新方法調(diào)制激光脈沖，獲得對材料表面激光改性延壽的最佳激光功率(10-100W)，達(dá)到高質(zhì)量的激光選擇性改性延壽就可以解決以上不足。本發(fā)明就是采用特殊的擴增技術(shù)，用雙光柵線性調(diào)頻脈沖放大方法來調(diào)節(jié)脈寬，達(dá)到優(yōu)化激光作用效果的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服當(dāng)前激光改性延壽設(shè)備昂貴，生產(chǎn)效率較低以及激光器可靠性不高的缺陷，提供一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽新方法。
[0005]本發(fā)明的原理為:采用PWM調(diào)制納秒激光后向波的脈沖寬度，通過調(diào)節(jié)超短次脈沖的幅度獲得合適的激光脈寬，以獲得對材料表面進行改性延壽的最佳的激光功率(10-100W)和功率密度，進而得到能夠改變金屬瞬時局部特性和相變過程的改性延壽新方法。
[0006]本發(fā)明米取的技術(shù)方案為:一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法，包含以下步驟:
A通過改變?nèi)肷涔庵g的相對延遲，調(diào)制后向波的脈沖寬度，具體方法為:由Nd:YAG激光器輸出調(diào)Q脈沖，將所述調(diào)Q脈沖通過電光消波開關(guān)獲得一個接近矩形的脈沖，所述接近矩形的脈沖通過一級Nd =YAG放大器放大后，能量得到放大，并且為垂直偏振光，所述垂直偏振光經(jīng)過45°全反鏡,聚焦透鏡和分束鏡,垂直偏振光分成光束LI和光束L2,所述光束LI經(jīng)過分束鏡又被分為光束L3和光束L4，所述光束L2經(jīng)過分束鏡又被分為光束L5和光束L6，所述光束L4到達(dá)PIN，所述光束L6到達(dá)強流管，以用于探測入射波和后向波的脈沖波形；所述光束L3和所述光束L5進入混頻介質(zhì)CS2,同時經(jīng)過全反鏡13的另一束光L7也進入混頻介質(zhì)CS2 ;光學(xué)延時器對三束光進行相對延時，以使三束光在介質(zhì)中重疊，并產(chǎn)生后向波信號。[0007]B將步驟A中得到的脈寬被縮短的后向波經(jīng)過雙光柵線性調(diào)頻脈沖放大法調(diào)制激光脈寬，具體過程為:將步驟A中的脈寬被縮短的后向波首先通過雙光柵脈沖拉伸器進行拉伸，以得到拉伸的脈沖激光；該拉伸脈沖激光再通過脈沖放大器對脈沖進行放大后，得到放大的拉伸脈沖激光；最后該放大的拉伸脈沖激光通過雙光柵脈沖壓縮器對脈沖進行適當(dāng)?shù)膲嚎s，以得到放大的短脈沖激光。
[0008]C利用步驟B中得到的放大的短脈沖激光對材料的表面進行激光改性延壽操作。
[0009]上述方法中，所述光束L4到達(dá)PIN、所述光束L6到達(dá)強流管后分別與顯示器連接， 所述顯示器用來將其波形顯示出來。
[0010]上述方法中，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脈沖為嚴(yán)格的高斯脈沖時，所述后向波的半寬度是比原來的入射波的脈寬窄力倍，與延遲時間無關(guān)。
[0011]上述方法中，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脈沖為矩形脈沖時，不延遲時脈寬不變；有延遲時后向波的脈寬等于所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的入射脈沖在所述混頻介質(zhì)CS2中的重疊時間。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:工藝方法簡單，PWM技術(shù)從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，對噪聲的抵抗能力增強，成本低；采用脈寬調(diào)制技術(shù)能得到最佳激光功率和功率密度的脈沖激光。激光沖擊產(chǎn)生的高幅度沖擊波，使材料發(fā)生彈性塑性變形，并在金屬表層形成密集的位錯、空位及空位團。這些效應(yīng)能改變激光沖擊金屬的顯微結(jié)構(gòu)和機械性能，從而實現(xiàn)激光對材料表面的高質(zhì)量改性延壽。
【專利附圖】

【附圖說明】[0013]圖1本發(fā)明的技術(shù)路線圖。[0014]圖2納秒后向波脈寬調(diào)制裝置圖。[0015]圖3雙光柵線性調(diào)頻脈沖放大法調(diào)制脈寬流程圖。[0016]圖4本發(fā)明中后向波脈寬縮短的示意圖。[0017]圖5本發(fā)明中經(jīng)過雙光柵線性調(diào)頻脈沖放大法調(diào)制的激光脈寬示意圖圖6招合金疲勞壽 命對比示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖，對本法的技術(shù)方案進行更詳細(xì)的說明。①對Nd:YAG激光器I的調(diào)Q脈沖首先通過圖1裝置脈寬縮短調(diào)制。具體過程如下:調(diào)Q脈沖通過電光消波開關(guān)2， 獲得前后沿小于Ins、寬度約為13ns接近矩形的脈沖；接著通過一級Nd =YAG放大器3放大后，能量約3 m J，且為垂直偏振光；該光束經(jīng)過45°全反鏡4，聚焦透鏡5后，到達(dá)分束鏡
7,并且光束分成兩束LI和光束L2，光束LI經(jīng)過分束鏡6又被分為光束L3和光束L4，所述光束L2經(jīng)過分束鏡8又被分為光束L5和光束L6 (其中分束鏡6、7、8對1.06um激光的反射率分別為43%、50%、95%。)。光束L4和光束L6分別到達(dá)PIN 9和強流管11，以用于探測入射波和后向波的脈沖波形，并在顯示器10上顯示出后向波的脈沖波形。而光束L3和光束L5則進入混頻介質(zhì)CS212，在對光束L3的延時低于激光相干時間的條件下，所述光束 L3和所述光束L5在所述混頻介質(zhì)CS212中產(chǎn)生體光柵，得到后向波的信號；同時經(jīng)過全反鏡13的光束L7也進入到所述混頻介質(zhì)CS212中，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7在所述混頻介質(zhì)CS212中進行重疊，同時利用光學(xué)延時器對三束光進行相對延時，以調(diào)制后向波的脈寬。
[0019]隨著三束光相對延遲的增加，后向波的脈寬逐漸變窄，當(dāng)延時為9ns時，后向波的脈寬已被縮短到3ns左右。如圖4所示，顯示了后向波脈寬縮短的示意圖。(對于不同的材料，激光對其改性延壽的最佳激光功率和功率密度不同，所以要調(diào)制的后向波的脈寬也不同)。值得說明的是，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脈沖為嚴(yán)格的高斯脈沖時，
所述后向波的半寬度是比原來的入射波的脈寬窄萬倍，與延遲時間無關(guān)。所述光束L3、所
述光束L5和所述光束L7的脈沖為矩形脈沖時，不延遲時脈寬不變；有延遲時后向波的脈寬等于所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的入射脈沖在所述混頻介質(zhì)CS2 (12)中的重疊時間。當(dāng)所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脈沖為其他的脈沖波形時，所述后向脈沖壓縮的效果介于上述兩種情況之間。 [0020]②將得到的脈寬被縮短的后向波通過圖3的流程，如下:雙光柵脈沖拉伸器一拉伸脈沖激光一脈沖放大器一放大的拉伸脈沖激光一雙光柵脈沖壓縮器一放大的短脈沖激光，即:將壓縮脈寬的后向波首先通過雙光柵脈沖拉伸器進行拉伸，以得到拉伸的脈沖激光；該拉伸脈沖激光再通過脈沖放大器對脈沖進行放大后，得到放大的拉伸脈沖激光；最后該放大的拉伸脈沖激光通過雙光柵脈沖壓縮器對脈沖進行適當(dāng)?shù)膲嚎s，以得到放大的短脈沖激光。通過以上步驟得到的激光是能滿足對材料表面改性延壽的最佳激光功率和功率密度的脈沖激光，從而可以實現(xiàn)高效、高質(zhì)量的激光選擇性改性延壽(如圖5所示)。
[0021]利用本發(fā)明中得到的高質(zhì)量納秒激光對鋁合金材料表面進行改性延壽，并獲得其疲勞性能結(jié)果，如圖6所示。可以明顯看到，利用本方案得到的短脈沖激光對鋁合金材料進行改性延壽，其疲勞壽命要比普通的激光的疲勞壽命長許多。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法，包含以下步驟:A通過改變?nèi)肷涔庵g的相對延遲，調(diào)制后向波的脈沖寬度，具體方法為:由Nd: YAG激光器(I)輸出調(diào)Q脈沖，將所述調(diào)Q脈沖通過電光消波開關(guān)(2)獲得一個接近矩形的脈沖，所述接近矩形的脈沖通過一級Nd =YAG放大器(3)放大后，能量得到放大，并且為垂直偏振光，所述垂直偏振光經(jīng)過45°全反鏡(4),聚焦透鏡(5)和分束鏡(7),垂直偏振光分成光束LI和光束L2，所述光束LI經(jīng)過分束鏡(6)又被分為光束L3和光束L4，所述光束L2經(jīng)過分束鏡(8)又被分為光束L5和光束L6，所述光束L4到達(dá)PIN (9)，所述光束L6到達(dá)強流管(11)，以用于探測入射波和后向波的脈沖波形；所述光束L3和所述光束L5進入混頻介質(zhì)CS2 (12)，同時經(jīng)過全反鏡13的另一束光L7也進入混頻介質(zhì)CS2 (12);光學(xué)延時器對三束光進行相對延時，以使三束光在介質(zhì)中重疊，并產(chǎn)生后向波信號；B將步驟A中得到的脈寬被縮短的后向波信號經(jīng)過雙光柵線性調(diào)頻脈沖放大法調(diào)制激光脈寬，具體過程為:將步驟A中的脈寬被縮短的后向波首先通過雙光柵脈沖拉伸器進行拉伸，以得到拉伸的脈沖激光；該拉伸脈沖激光再通過脈沖放大器對脈沖進行放大后，得到放大的拉伸脈沖激光；最后該放大的拉伸脈沖激光通過雙光柵脈沖壓縮器對脈沖進行適當(dāng)?shù)膲嚎s，以得到放大的短脈沖激光；C利用步驟B中得到的放大的短脈沖激光對材料的表面進行激光改性延壽操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法，其特征在于，通過改變?nèi)肷涔庵g的相對延遲來實現(xiàn)對后向波脈寬的調(diào)制，所述三束入射光分別為光束L3、光束L5和光束L7 ;所述光束L4到達(dá)PIN(9)、所述光束L6到達(dá)強流管(11) 后分別與顯示器(10)連接，所述顯示器10上用來將其波形顯示出來。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法，其特征在于，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脈沖為嚴(yán)格的高斯脈沖時，所述后向波的半寬度是比原來的入射波的脈寬窄石倍，與延遲時間無關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法，其特征在于，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脈沖為矩形脈沖時，不延遲時脈寬不變; 有延遲時后向波的脈寬等于所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的入射脈沖在所述混頻介質(zhì)CS2 (12)中的重疊時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光脈寬調(diào)制的高質(zhì)量激光改性延壽方法，其特征在于，采用雙光柵線性調(diào)頻脈沖放大法來調(diào)節(jié)脈寬，以得到最佳激光功率和功率密度的脈沖激光。
【文檔編號】C22F3/00GK103526145SQ201310469762
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】任旭東, 侯麗華, 戴文杰, 王德順, 吳坤, 左成亞 申請人:江蘇大學(xué)