[发明专利]一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其是一种激光冲击强化装置，适用于对冲击件双面冲击。

背景技术

激光冲击强化Laser Shock Processing，简写LSP，又称为激光喷丸，是利用高功率密度GW/cm2量级、短脉冲ns量级强激光冲击覆盖在金属表面的激光吸收保护膜或直接冲击金属表面，其吸收激光能量后温度迅速升高，发生气化、电离、膨胀，诱发高幅值冲击波，即光能转变为冲击波机械能；高达数GPa的冲击波压力使材料表层发生微观塑性变形，形成残余压应力层，从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。

国内从20世纪90年代开始激光冲击处理技术的研究，从所查资料看，主要是对冲击件单面冲击的试验。强激光作用于冲击件的一个表面，冲击件会朝一个方向发生变形。目前通常利用半透半反分光镜对激光器发射出的激光分光来得到两束分别作用于冲击件两表面的激光。半透半反分光镜分光时与光束的偏振有关。在激光器刚开始工作时，激光工作物质内部温度相同，随着温度的升高直到达到动态平衡，工作物质内部形成温度梯度，引起退偏效应，输出的激光不再为线偏振光，而是部分偏振光，部分偏振光经过分光镜，会得到两束能量不均的光束。不同能量的激光束作用于冲击件两面时，引起的冲击波压力不同，会造成冲击件的变形。

另外，也可以对分光后的两束激光分别聚焦，利用其焦点前附近的光斑作用于冲击件表面，经过聚焦镜分别聚焦的两束激光作用于冲击件正反两面时，若其作用时间不同，或光斑大小有差异，在两面形成的冲击波压力也不同，冲击件在冲击过程中也会发生变形。

同时，高功率脉冲激光器作为激光冲击强化处理中的关键设备之一，在主脉冲激光束聚焦作用到待冲击工件表面之前，激光工作物质Nd:YAG属于四能级系统，在光泵开始时，Nd:YAG就达到粒子数反转，形成自发辐射。由于光泵能量比较高，并且Nd:YAG增益很大，自发辐射在调Q开关尚未打开时仍可以输出激光，消耗放大器工作物质的反转粒子数。放大自发辐射产生的是长脉冲序列，先于激光器主脉冲作用于冲击件表面，冲击件表面反射使部分激光又返回激光放大器光路，如果放大器的光学表面的反射能够引起足够的反馈，就会形成自激振荡，又通过放大器输出激光。自激振荡对激光器和激光放大器的性能有很大影响，对于放大器而言，自激振荡的存在使得放大器消耗了大量的反转粒子数，降低了放大器激光工作物质的增益倍数，影响了激光放大器尤其是高功率激光放大器的性能。自激振荡的激光为长脉冲，在激光冲击强化时，长脉冲激光到达靶体，将烧蚀金属冲击件，导致冲击强化的失败。

根据我们查阅的相关文件，申请号为200810019757.X的中国专利“一种基于激光冲击波效应的板材双面精密成形方法及装置”主要是利用分光束方法双面冲击板材成形，并未涉及到平均分光的方法，也未涉及如何抑制或隔离返回光的方法。专利号为US005744781的美国专利“Method and Apparatus for Laser Shock Peening”所述双光束对冲金属叶片，其分光束是在激光器内部分光后再分别对两束光放大，也未涉及如何抑制或隔离返回光的方法。专利号为US6296448 B1的美国专利“Simultaneous offsetdual sided laser shock peening”所述双光束对冲金属叶片，主要是叙述了两面同时对冲金属叶片，未涉及具体的分光技术，也未涉及对静态光的抑制。

由天津大学精密仪器学院超快激光研究室的王清月等人发表于2000年5月的《中国科学A辑》上的文章《飞秒激光啁啾脉冲放大过程中的放大自发辐射及其抑制》，主要运用空间滤波器、Pockelscell盒、可饱和吸收体、色散棱镜系统等技术方法对啁啾脉冲放大器内部的放大自发辐射进行抑制；由中国科学院上海光学精密机械研究所程小劲、徐剑秋2007年10月发表在《光学学报》上的文章《板条激光放大器中寄生振荡的研究》，将工作物质的两个相对侧面加工成不平行来抑制放大自发辐射；申请号03150509.0的中国专利“抑制激光波导寄生振荡的方法”，将工作物质侧面磨毛来抑制放大自发辐射；申请号为200510094467.8的中国专利“可饱和吸收光隔离器”，是在振荡级与放大级或放大级与放大级之间放置可饱和吸收体，抑制放大自发辐射。但在文献与专利中均未涉及到激光应用中由于冲击件的反射引起的噪声光。

发明内容