专利名称：一种激光整形方法及整形后激光硬化处理设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种激光整形方法、激光硬化处理设备及方法。
背景技术：
金属材料的激光表面硬化多由激光束经聚焦形成的高斯圆光斑或者离焦后的光 斑直接作用于材料表面，通过数控机床控制工件与激光束的相对运动轨迹及光间的启闭对 材料表面或其要求部位进行表面硬化。近年来，在激光表面硬化过程中为了实现一个均勻 的激光作用区，激光束往往被变换为均勻分布的矩形光斑或者线形光斑。要得到均勻分布 的矩形光斑或者线形光斑需要利用光栅对激光束整形，通过光栅整形后的激光束不同衍射 级的激光强度均相同，在这些硬化工艺中，为了获得一个均勻的激光热作用，将激光束的不 均勻分布变换为均勻分布，但是理论和实验研究表明，均勻的激光照射不一定能得到均勻 的热作用，更不能得到均勻的激光表面硬化区域的组织结构，由均勻强度分布的光斑作用 下产生的硬化层为月牙形分布。解决这一问题的根本方法是根据激光与材料相互作用原理，在每个光斑尺度内控 制激光与材料的相互作用区域，对激光束空间强度分布进行优化。进而有效地在每个光斑 尺度内控制激光与材料发生相互作用的区域，赋予材料表面特殊的组织结构和性能。本发 明提出了一种激光表面硬化方法，这种方法的关键是利用二值位相光栅将激光束整形为具 有山谷形非均勻能级强度分布的点阵，然后用变换后的光斑进行激光表面硬化，这种激光 表面硬化的优点是提高材料的硬度的同时，大大改善了材料的硬化层均勻度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种能够将激光束整形为 各衍射级之间为非均勻强度分布的激光整形方法。本发明的另一目的在于提供一种能够将激光束整形为各衍射级之间为非均勻强 度分布的设备。本发明的第三目的在于提供一种采用各衍射级为非均勻强度分布的激光束进行 金属表面硬化处理的方法。本发明的激光整形方法，具体步骤为1)根据衍射级数和各衍射级之间需要的强 度比，通过标量衍射理论计算出二值位相光学转换元件的位相分布；幻根据二值位相光学 转换元件的位相分布制作光学转换元件；幻激光束照射步骤幻中的光学转换元件，即可将 激光束光斑整形为各衍射级间强度分布不均勻的光斑。进一步，所述激光束光源为Nd: YAG激光器，波长为1064nm。进一步，所述激光整形方法中，衍射级的个数为三个，三个衍射级之间的强度比为进一步，所述激光束通过所述光学转换元件转换得到的光斑为山谷型强度分布点 阵光斑。
进一步，步骤幻中制作光学转换元件之前，通过优化算法对所述光学转换元件的 位相分布进行优化。进一步，步骤幻中光学转换元件的制作步骤为1)根据光学转换元件的位相分 布，利用电子束图形发生器制作掩模板；2)通过接触式光刻法，将掩模板图案转移到涂有 光刻胶的光学玻璃上；幻利用感应耦合等离子刻蚀技术或者湿法刻蚀技术，将图案刻蚀到 光学玻璃上得到光学转换元件。本发明的激光硬化处理设备，包括激光器、扩束镜、光学转换元件和聚焦透镜，光 学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间，激光器照射扩束镜产生平行光束经所述光学转 换元件和聚焦透镜在聚焦透镜焦平面上得到各衍射级间强度分布不均勻的光斑。本发明的激光硬化处理的方法，具体为在上述激光硬化处理设备的聚焦透镜的 焦平面处设置待处理材料，通过激光器照射扩束镜产生平行光束经光学转换元件和聚焦透 镜，各衍射级间强度分布不均勻的光斑照射所述待处理材料。进一步，所述待处理材料为金属材料。进一步，所述金属材料为铁、铜或者合金材料。本发明根据激光与材料相互作用原理，在每个光斑尺度内控制激光与材料的相互 作用区域，对激光束空间强度分布进行优化。进而有效地在每个光斑尺度内控制激光与材 料发生相互作用的区域，赋予材料表面特殊的组织结构和性能。通过特殊的二值位相光学 转换元件，得到各衍射级非均勻强度点阵分布的光斑，采用此种光斑对材料表面进行激光 硬化，使材料硬度增加的同时，大大提高了硬化层的均勻度。
图1为本发明中二值位相光栅的一个周期位相分布示意图；图加为强度比为1 2 3 二值位相光栅的单个周期位相分布图；图2b为强度比为1:2:3 二值位相光栅的强度分布图；图3为二值位相光栅的表面轮廓；图4为光束变换后光斑强度分布测试实验系统；图fe为二值位相光栅对光束变换后的两维强度分布图；图恥为二值位相光栅对光束变换后的三维强度分布图；图6a为5x5等强度分布点阵硬化后的材料表面形貌；图6b为1 2 3山谷型强度分布点阵硬化后的材料表面形貌；图7a为光斑为5x5等强度分布点阵硬化后的材料硬化层层深图；图7b为光斑为1:2:3山谷型强度分布点阵硬化后的材料硬化层层深图；图8为5x5等强度分布点阵光斑硬化后材料沿深度方向硬度分布曲线；图9为1 2 3山谷型强度分布点阵光斑硬化后材料沿深度方向硬度分布曲线。
具体实施例方式本发明的激光整形方法，具体步骤为1)根据衍射级数和各衍射级之间需要的强 度比，通过标量衍射理论计算出二值位相光学转换元件的位相分布；幻根据二值位相光学 转换元件的位相分布制作光学转换元件；幻激光束照射步骤幻中的光学转换元件，即可将激光束光斑整形为各衍射级间强度分布不均勻的光斑。本发明的激光硬化处理设备，包括激光器、扩束镜、光学转换元件和聚焦透镜，光 学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间，激光器照射扩束镜产生平行光束经所述光学转 换元件和聚焦透镜在聚焦透镜焦平面上得到各衍射级间强度分布不均勻的光斑。本发明的激光硬化处理的方法，具体为在上述激光硬化处理设备的聚焦透镜的 焦平面处设置待处理材料，通过激光器照射扩束镜产生平行光束经光学转换元件和聚焦透 镜，各衍射级间强度分布不均勻的光斑照射所述待处理材料。其中，激光器的选择和衍射级数以及衍射级之间的强度比可以根据实际加工的材 料的种类以及被加工元件的结构来选择。二值位相光学转换元件为二值位相光栅。激光硬 化处理设备中聚焦透镜根据应用的需求可以通过调整聚焦透镜的焦距以及二值位相光栅 的单个周期位相的大小来改变光束变换后的点阵间距，比如，光波长为λ = 1.064μπι，元 件直径为50mm，单个位相周期为d = 250微米，透镜焦距为f = 150mm的情况下，点阵中微 光斑的间距为Δ = λ f/d ^ 0. 6mm.因此可以根据不同情况选用焦距不同的透镜，从而得 到特定的光斑分布。图1是二值位相光栅的一个周期位相分布示意图，图中白色单元代表位相延迟为 Φ i，黑色单元代表位相延迟为Φ2，一个周期的位相分布是由多个网格化的单元组成，由图 可见，本发明中所使用二值位相光栅是一种在透明介质上形成的具有两维均勻矩形孔径位 相分布的位相版，位相为两值。本发明根据激光表面硬化的应用需求，确定了所设计二值位相光栅的强度比为 I(O) ι ω 1(2) = ι 2 3，根据标量衍射理论，如果假设入射光为平顶光束则对于给定
位相版，其远场衍射场强度分布为 Z0 ο = /(0,0) = (^;)2|[exp(7^) -+ exp(7^)|2
N
=(吾)2|exp(从)-exp( 2 sinc2(》)sinc2(^·)
d'
I-,
=(^r)2|exp(_/02)-expCM)|2 sinc2(^)sinc2(^)
Jexpj-^
m, 1、 η . 1、 —(χ, +-) + —(ν, +-) d 1 2 d 2
m
1、 η , 1、
玄力+玉) 其中λ是激光波长，f是透镜焦距，m和η为衍射级次。均勻采样编码一个周期 的位相分布是由多个网格化的单元组成，白色单元代表位相延迟为，黑色单元代表位相 延迟为Φ2(图1)，L是组成单个周期位相的单元个数，相对于原点的第1个单元的坐标是 (X1, Y1).对于该二值位相光栅，其评价函数定义为
权利要求
1.一种激光整形方法，具体步骤为1)根据衍射级数和各衍射级之间需要的强度比， 通过标量衍射理论计算出二值位相光学转换元件的位相分布；幻根据二值位相光学转换 元件的位相分布制作光学转换元件；；3)激光束照射步骤幻中的光学转换元件，即可将激光 束光斑整形为各衍射级间强度分布不均勻的光斑。
2.如权利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光束光源为Nd:YAG激光器， 波长为1064nm。
3.如权利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光整形方法中，衍射级的个 数为三个，三个衍射级之间的强度比为1 2 3。
4.如权利要求3所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光束通过所述光学转换元 件转换得到的光斑为山谷型强度分布点阵光斑。
5.如权利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，步骤2)中制作光学转换元件之前， 通过优化算法对所述光学转换元件的位相分布进行优化。
6.如权利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，步骤2)中光学转换元件的制作步 骤为1)根据光学转换元件的位相分布，利用电子束图形发生器制作掩模板；2)通过接触 式光刻法，将掩模板图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；幻利用感应耦合等离子刻蚀技 术或者湿法刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃上得到光学转换元件。
7.一种激光硬化处理设备，其特征在于，包括激光器、扩束镜、如权利要求1-6任一项 所述的光学转换元件和聚焦透镜，该光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间，激光器 照射扩束镜产生平行光束经所述光学转换元件和聚焦透镜在聚焦透镜焦平面上得到各衍 射级间强度分布不均勻的光斑。
8.一种采用如权利要求7所述的激光硬化处理设备进行激光硬化处理的方法，具体 为激光硬化处理设备的聚焦透镜的焦平面处设置待处理材料，通过激光器照射扩束镜产 生平行光束经光学转换元件和聚焦透镜，各衍射级间强度分布不均勻的光斑照射所述待处 理材料。
9.如权利要求8所述的激光整形方法，其特征在于，所述待处理材料为金属材料。
10.如权利要求9所述的激光整形方法，其特征在于，所述金属材料为铁、铜或者合金 材料。
全文摘要
本发明的激光整形方法及整形后激光硬化处理设备及方法，通过设置特殊形式的光栅对激光进行整形进而通过整形后的激光，对待处理材料进行硬化处理。经光栅整形后的激光各衍射级之间的强度不同，用此种光斑进行激光表面硬化，这种激光表面硬化的优点是提高材料的硬度的同时，大大改善了材料的硬化层均匀度。
文档编号C21D1/09GK102141682SQ201010103800
公开日2011年8月3日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者何秀丽, 宁伟健, 李少霞, 虞钢, 郑彩云 申请人:中国科学院力学研究所