激光冲击喷丸处理中使用的方法和设备技术

一种装置可包括配置成输出脉动激光光束的二极管泵浦固态激光振荡器、配置成修改脉动激光光束的能量和时间分布的调制器和配置成放大脉冲激光光束的能量的放大器。用于对目标部件进行激光喷丸的经修改放大后的光束可具有大约5J至大约10J的能量、大约25W至大约200W的平均功率(定义为能量(J)×频率(Hz))，其中平顶光束均匀度小于大约0.2。二极管泵浦固态振荡器可配置成输出具有单纵模和单横模二者的光束，以大约20Hz的频率生成并输出光束。

Methods and equipment used in laser shock peening

A device can be configured to include the output pulse laser beam of diode pumped solid-state laser oscillator, configured to modify pulse laser energy and time distribution of the modulator and amplifier configured to amplify the energy of pulse laser beam. For the beam amplified can modify the average power is about 5J to about 10J energy, about 25W to about 200W laser peening on target components (defined as the energy frequency (J) * (Hz)), the flat top beam uniformity is less than about 0.2. The diode pumped solid-state oscillator can be configured to output two beams with a single longitudinal mode and a single transverse mode, and generate and output beams at about 20Hz.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光冲击喷丸处理中使用的方法和设备
本申请涉及激光冲击喷丸。
技术介绍
激光冲击喷丸(LSP)处理，作为传统喷丸的替代或补充处理，是用于制作深(例如，大于1mm)压缩残余应力层并且通过用足以造成塑料变形的力冲击材料来改造材料机械特性的冷加工处理。LSP处理所产生的残余应力增加了材料抗疲劳和应力的能力，由此显著延长了激光喷丸部件的寿命。LSP使用高能量激光脉冲来生成等离子体羽流并且致使部件表面上的压力快速升高。该压力形成并且维持传播到部件表面中的高强度冲击波。LSP所生成的冲击波引起对部件材料微结构中的冷加工并且有助于提高部件的性能。随着冲击波行进到该部件中，在部件材料塑料变形期间，波中的一些能量被吸收。这也被称为冷加工。LSP通常使用大约8纳秒(ns)至大约40ns的激光脉冲宽度。LSP中的激光束的典型光斑直径是大约1.0mm至大约8.0mm。积分通量是每单位面积所发出的能量的量度。在LSP应用中，积分通量通常超过100J/cm2。功率密度必须大于材料的Hugoniot弹性极限(HEL)，从而引起塑性变形和相关的压缩残余应力。虽然一些材料的HEL低达大约3GW/cm2，但用于激光喷丸的典型功率密度通常在6GW/cm2至12GW/cm2的范围内。可使用闪光灯泵浦增益介质的激光器来产生具有足够用于LSP应用的能量的激光脉冲。闪光灯可产生波长范围覆盖电磁波谱的可见光部分和红外部分二者的宽带宽的泵浦光。增益介质不容易使用闪光灯所产生的光中的大部分，没有被增益介质有效吸收的光会产生过量的热。过量的热限制了激光的重复速率和功率输出，并且需要用另外的冷却系统来保持激光器的运行温度。在不用大量物流来移动必要组件的情况下，运输用于保持激光运转的闪光灯泵浦激光器和支持系统可能并不容易。闪光灯泵浦激光器在电学上是无效的，这样会导致光束畸变。闪光灯泵浦激光器还会需要更高的运行电压和电流，从而会将它们的运转限于进行高电压和高电流行业服务的位置。闪光灯的运行寿命会限于几百万个脉冲，从而必定会增加保持闪光灯泵浦激光提供服务的维修和成本。
技术实现思路
一种装置可包括二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器，该振荡器配置成输出具有第一能量和第一时间分布的脉动激光光束。该装置还可包括调制器和放大器。调制器配置成从所述DPSSL振荡器接收所述脉动激光光束，将所述脉动激光光束从所述第一能量修改成第二能量，将所述第一时间分布修改成第二时间分布，并且输出具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束。放大器可具有多级。例如，第一级可配置成接收具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束，将所述光束从所述第二能量放大成第三能量，将所述光束从所述第二时间分布修改成第三时间分布，以及输出具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束。第二级可配置成接收具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束，将所述光束从所述第三能量放大成第四能量，将所述光束从所述第三时间分布修改成第四时间分布，以及输出具有所述第四能量和所述第四时间分布的光束。所述装置还可包括DPSSL振荡器，所述DPSSL振荡器具有光学腔体并且配置成生成并输出脉动激光光束；以及种子注入器，其配置成将种子激光输出到所述光学腔体中，以生成并输出单纵模的脉动激光光束。一种用于对目标部件进行激光冲击喷丸的方法可包括：输出具有第一能量、第一光束直径和第一时间分布的脉动激光光束。所述方法还可包括将具有所述第一能量和所述第一时间分布的光束修改成第二能量和第二时间分布。所述方法还可包括将具有所述第二能量的光束放大成第三能量并且将所述光束修改成比所述第一光束直径大的第二光束直径，并且将所述第二时间分布修改成第三时间分布。所述方法可包括将具有所述第三能量、所述第二光束直径和所述第三时间分布的光束输出到所述目标部件，以便对所述目标部件进行激光冲击喷丸。附图说明图1是用于激光冲击喷丸处理中的示例装置的示意图。图2是示例二极管泵浦固态激光振荡器的示意图。图3是DPSSL振荡器的示例输出的曲线图。图4是DPSSL振荡器的示例输出的曲线图。图5是种子注入器重置操作的流程图。图6是对激光光束的示例时间修正的曲线图。图7是示例滤光器的示意图。图8是对激光光束的示例空间修正的曲线图。图9是示例放大器的示意图。图10是示例激光传递装置和喷丸单元的示意图。图11是来自LSP装置的示例输出的曲线图。图12是来自LSP装置的示例输出的曲线图。图13是来自LSP装置的示例输出的曲线图。图14是来自LSP装置的示例输出的曲线图。图15是来自LSP装置的示例输出的曲线图。图16是使用对目标部件进行激光喷丸的装置的示例方法的流程图。图17是示例放大器级的示意图。图18是示例放大器级的示意图。图19是示例分束器配置的示意图。图20是用于调节和校准用于LSP系统中的示例装置的示例方法的流程图。具体实施方式参照图1，例示了用于激光冲击喷丸的示例装置100。装置100进行操作，以产生激光光束并且将其向目标部件101输出，以对目标部件101进行激光冲击喷丸(LSP)。装置100可包括DPSSL振荡器102、调制器104和放大器106。DPSSL振荡器102配置成产生脉动激光束108并且将其向调制器104输出，从而可修改脉动激光束108并且将修改后的光束110输出到放大器106。装置100还可包括滤光器112、光学隔离器114和波片116。滤光器112还可修改来自调制器104的光束110并且将经修改后的光束118向着放大器106输出。装置100还可包括光学隔离器120、光束传递装置122和激光喷丸单元124。光学隔离器120可将来自放大器106的经修改和放大后的光束126传递到光束传递装置122，光束传递装置122可将经修改和放大后的光束126传递到包含目标部件101的激光喷丸单元124，或者可将经修改和放大后的光束126传递到目标部件101。参照图2，例示了DPSSL振荡器102的示意图。DPSSL振荡器102可包括光学腔体228、光学腔体228内的增益介质230和激光二极管阵列232，激光二极管阵列232用于用光和能量233泵浦增益介质230，以产生脉动激光光束108。振荡器102还可包括种子注入器234，种子注入器234配置成将种子激光光束236输出到光学腔体228中，以有助于稳定脉动激光光束108，以及可变光阑/限制孔238。增益介质230可以是2mm直径(Nd:YLF)激光棒，并且可以是能够通过一个或多个激光二极管(即，二极管阵列)232光学泵浦的实心增益介质。增益介质230可以是单晶或玻璃材料，并且可掺杂有三价稀土离子或过渡金属离子。在一个实施例中，用在振荡器102中的激光棒230掺杂有钕(Nd3+)。增益介质230可以是掺杂有钕的原本被称为“YAG”(Nd:YAG)的合成钇铝柘榴石晶体(Y3Al5O12)。在另一个实施例中，增益介质230是掺杂有钕的合成氟化钇锂(YLiF4)晶体或YLF(Nd:YLF)。(Nd:YLF)激光棒230产生的激光光束108可具有1053nm的波长。YLF晶体可产生具有更好光束质量的激光光束，具有更长的寿命，并且允许提取更长光束脉宽，从而可允许将设备100设计得较小。可使用诸如Czochralski处理的已知处理来生长YAG本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于激光冲击喷丸的装置，所述装置包括：二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器，其配置成输出具有第一能量和第一时间分布的脉动激光光束；调制器，其配置成从所述DPSSL振荡器接收所述脉动激光光束，将所述脉动激光光束从所述第一能量修改成第二能量，将所述第一时间分布修改成第二时间分布，并且输出具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束；以及放大器，其具有多级，所述多级包括：第一级，其配置成接收具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束，将所述光束从所述第二能量放大成第三能量，并且将所述光束从所述第二时间分布修改成第三时间分布，以及输出具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束；以及第二级，其配置成接收具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束，将所述光束从所述第三能量放大成第四能量，并且将所述光束从所述第三时间分布修改成第四时间分布，以及输出具有所述第四能量和所述第四时间分布的光束。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.09 US 62/101,4421.一种用于激光冲击喷丸的装置，所述装置包括：二极管泵浦固态激光(DPSSL)振荡器，其配置成输出具有第一能量和第一时间分布的脉动激光光束；调制器，其配置成从所述DPSSL振荡器接收所述脉动激光光束，将所述脉动激光光束从所述第一能量修改成第二能量，将所述第一时间分布修改成第二时间分布，并且输出具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束；以及放大器，其具有多级，所述多级包括：第一级，其配置成接收具有所述第二能量和所述第二时间分布的光束，将所述光束从所述第二能量放大成第三能量，并且将所述光束从所述第二时间分布修改成第三时间分布，以及输出具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束；以及第二级，其配置成接收具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束，将所述光束从所述第三能量放大成第四能量，并且将所述光束从所述第三时间分布修改成第四时间分布，以及输出具有所述第四能量和所述第四时间分布的光束。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，从所述DPSSL振荡器输出的光束具有第一空间分布，并且其中，所述装置还包括滤光器，所述滤光器配置成接收由所述调制器输出的光束，将所述第一空间分布变成第二空间分布，并且输出具有所述第二能量、所述第二时间分布和所述第二空间分布的光束。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，从所述DPSSL振荡器输出的光束具有第一直径和翼，并且其中，所述滤光器包括：光束扩展器，配置成将经修改后的光束扩展成比所述第一直径大的直径；以及切趾器，配置成从所述光束扩展器接收经扩展后的光束，以去除所述翼，并且输出具有不带所述翼的所述第二空间分布的光束。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大器还包括：第三级，配置成接收具有所述第四能量和所述第四时间分布的光束，将所述光束从所述第四能量放大成第五能量，将所述光束从所述第四时间分布修改成第五时间分布，以及输出具有所述第五能量和所述第五时间分布的光束；以及第四级，配置成接收具有所述第五能量和所述第五时间分布的光束，将所述光束从所述第五能量放大成第六能量，将所述光束从所述第五时间分布修改成第六时间分布，以及输出具有所述第六能量和所述第六时间分布的光束。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振荡器包括具有第一直径的激光棒，并且其中，所述放大器的所述第一级包括具有比所述第一直径大的第二直径的第二激光棒，所述第二激光棒配置成将具有所述第二能量的光束放大成第三能量，将具有所述第二时间分布的光束修改成第三时间分布，并且输出具有所述第三能量和所述第三时间分布的光束，并且其中，所述放大器的所述第二级包括具有比所述第二直径大的第三直径的第三激光棒，所述第三激光棒配置成将具有所述第三能量的光束放大成第四能量，将具有所述第三时间分布的光束修改成第四时间分布，并且输出具有所述第四能量和所述第四时间分布的光束。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一激光棒、所述第二激光棒和所述第三激光棒包含掺杂YLF的晶体材料。7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二激光棒的直径在大约3-7mm的范围内。8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三激光棒的直径在大约7-11mm的范围内。9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三激光棒的直径在大约12-18mm的范围内。10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三激光棒的直径是25mm或更大。11.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，从所述振荡器输出的光束具有第一直径和翼，并且其中，所述第一级还包括：真空继电器成像模块VRIM，配置成从所述振荡器接收光束，将所述光束中继成像成比所述第一光束直径大的直径，并且将中继成像的光束输出到所述第二激光棒。12.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括光束传递系统，所述光束传递系统配置成将从所述放大器输出的光束传递到目标部件。13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述经放大修改后的光束具有一定光斑大小，并且其中，所述激光束传递装置具有配置成调节所述光斑大小的透镜。14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述经放大修改后的光束具有近场值和测量值，并且其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·杜拉尼，D·索科尔，M·E·欧劳林，K·格洛韦尔，G·梅，
申请(专利权)人：LSP技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US