一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于激光脉宽调制的改性延寿新方法，其特征在于：通过改变三束入射光之间的相对延迟，调制后向波的脉冲宽度；该后向波再通过双光栅线性调频脉冲放大法调制脉宽，采用脉宽调制技术能得到最佳激光功率和功率密度的脉冲激光。激光冲击产生的高幅度冲击波，使材料发生弹性塑性变形，并在金属表层形成密集的位错、空位及空位团。这些效应能改变激光冲击金属的显微结构和机械性能，从而实现激光对材料表面的高质量改性延寿。
【专利说明】一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光表面延寿改性技术，特指一种基于激光脉宽调制的纳秒激光对合金材料进行改性延寿的新方法，尤其适用于铝合金、钛合金及镍基合金材料的表面激光改性与延寿。【背景技术】
[0002]目前激光改性延寿设备昂贵，生产效率较低，导致使用成本较高，只能局限在技术含量较高的航空工业中使用，在汽车制造、机械加工等普通工业中无法应用。主要原因在于高能脉冲激光器造价高昂；且由于制造工艺复杂，加之要采用大尺寸的工作物质，高功率的泵浦灯，高精度的镀膜镜片，致使激光改性延寿处理用的激光器设备昂贵，激光改性延寿处理的效率有待提高；目前国内激光改性延寿处理所用的激光器大约几十秒才能冲击一次，国外应用于生产的先进激光器重复频率也仅在IHz左右，生产效率不高。这就需要发展新型的高重复频率激光器，并使其在满足能量要求的前提下实现光栅冲击，这样一次可以冲击几个甚至十几个光斑，大大提高生产效率。
[0003]采用新方法调制激光脉冲，获得对材料表面激光改性延寿的最佳激光功率(10-100W)，达到高质量的激光选择性改性延寿就可以解决以上不足。本发明就是采用特殊的扩增技术，用双光栅线性调频脉冲放大方法来调节脉宽，达到优化激光作用效果的目的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服当前激光改性延寿设备昂贵，生产效率较低以及激光器可靠性不高的缺陷，提供一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿新方法。
[0005]本发明的原理为:采用PWM调制纳秒激光后向波的脉冲宽度，通过调节超短次脉冲的幅度获得合适的激光脉宽，以获得对材料表面进行改性延寿的最佳的激光功率(10-100W)和功率密度，进而得到能够改变金属瞬时局部特性和相变过程的改性延寿新方法。
[0006]本发明米取的技术方案为:一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法，包含以下步骤:
A通过改变三束入射光之间的相对延迟，调制后向波的脉冲宽度，具体方法为:由Nd:YAG激光器输出调Q脉冲，将所述调Q脉冲通过电光消波开关获得一个接近矩形的脉冲，所述接近矩形的脉冲通过一级Nd =YAG放大器放大后，能量得到放大，并且为垂直偏振光，所述垂直偏振光经过45°全反镜,聚焦透镜和分束镜,垂直偏振光分成光束LI和光束L2,所述光束LI经过分束镜又被分为光束L3和光束L4，所述光束L2经过分束镜又被分为光束L5和光束L6，所述光束L4到达PIN，所述光束L6到达强流管，以用于探测入射波和后向波的脉冲波形；所述光束L3和所述光束L5进入混频介质CS2,同时经过全反镜13的另一束光L7也进入混频介质CS2 ;光学延时器对三束光进行相对延时，以使三束光在介质中重叠，并产生后向波信号。[0007]B将步骤A中得到的脉宽被缩短的后向波经过双光栅线性调频脉冲放大法调制激光脉宽，具体过程为:将步骤A中的脉宽被缩短的后向波首先通过双光栅脉冲拉伸器进行拉伸，以得到拉伸的脉冲激光；该拉伸脉冲激光再通过脉冲放大器对脉冲进行放大后，得到放大的拉伸脉冲激光；最后该放大的拉伸脉冲激光通过双光栅脉冲压缩器对脉冲进行适当的压缩，以得到放大的短脉冲激光。
[0008]C利用步骤B中得到的放大的短脉冲激光对材料的表面进行激光改性延寿操作。
[0009]上述方法中，所述光束L4到达PIN、所述光束L6到达强流管后分别与显示器连接， 所述显示器用来将其波形显示出来。
[0010]上述方法中，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脉冲为严格的高斯脉冲时，所述后向波的半宽度是比原来的入射波的脉宽窄力倍，与延迟时间无关。
[0011]上述方法中，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脉冲为矩形脉冲时，不延迟时脉宽不变；有延迟时后向波的脉宽等于所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的入射脉冲在所述混频介质CS2中的重叠时间。
[0012]本发明的优点是:工艺方法简单，PWM技术从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，对噪声的抵抗能力增强，成本低；采用脉宽调制技术能得到最佳激光功率和功率密度的脉冲激光。激光冲击产生的高幅度冲击波，使材料发生弹性塑性变形，并在金属表层形成密集的位错、空位及空位团。这些效应能改变激光冲击金属的显微结构和机械性能，从而实现激光对材料表面的高质量改性延寿。
【专利附图】
【附图说明】[0013]图1本发明的技术路线图。[0014]图2纳秒后向波脉宽调制装置图。[0015]图3双光栅线性调频脉冲放大法调制脉宽流程图。[0016]图4本发明中后向波脉宽缩短的示意图。[0017]图5本发明中经过双光栅线性调频脉冲放大法调制的激光脉宽示意图图6招合金疲劳寿 命对比示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图，对本法的技术方案进行更详细的说明。①对Nd:YAG激光器I的调Q脉冲首先通过图1装置脉宽缩短调制。具体过程如下:调Q脉冲通过电光消波开关2， 获得前后沿小于Ins、宽度约为13ns接近矩形的脉冲；接着通过一级Nd =YAG放大器3放大后，能量约3 m J，且为垂直偏振光；该光束经过45°全反镜4，聚焦透镜5后，到达分束镜
7,并且光束分成两束LI和光束L2，光束LI经过分束镜6又被分为光束L3和光束L4，所述光束L2经过分束镜8又被分为光束L5和光束L6 (其中分束镜6、7、8对1.06um激光的反射率分别为43%、50%、95%。)。光束L4和光束L6分别到达PIN 9和强流管11，以用于探测入射波和后向波的脉冲波形，并在显示器10上显示出后向波的脉冲波形。而光束L3和光束L5则进入混频介质CS212，在对光束L3的延时低于激光相干时间的条件下，所述光束 L3和所述光束L5在所述混频介质CS212中产生体光栅，得到后向波的信号；同时经过全反镜13的光束L7也进入到所述混频介质CS212中，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7在所述混频介质CS212中进行重叠，同时利用光学延时器对三束光进行相对延时，以调制后向波的脉宽。
[0019]随着三束光相对延迟的增加，后向波的脉宽逐渐变窄，当延时为9ns时，后向波的脉宽已被缩短到3ns左右。如图4所示，显示了后向波脉宽缩短的示意图。(对于不同的材料，激光对其改性延寿的最佳激光功率和功率密度不同，所以要调制的后向波的脉宽也不同)。值得说明的是，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脉冲为严格的高斯脉冲时，
所述后向波的半宽度是比原来的入射波的脉宽窄万倍，与延迟时间无关。所述光束L3、所
述光束L5和所述光束L7的脉冲为矩形脉冲时，不延迟时脉宽不变；有延迟时后向波的脉宽等于所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的入射脉冲在所述混频介质CS2 (12)中的重叠时间。当所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脉冲为其他的脉冲波形时，所述后向脉冲压缩的效果介于上述两种情况之间。 [0020]②将得到的脉宽被缩短的后向波通过图3的流程，如下:双光栅脉冲拉伸器一拉伸脉冲激光一脉冲放大器一放大的拉伸脉冲激光一双光栅脉冲压缩器一放大的短脉冲激光，即:将压缩脉宽的后向波首先通过双光栅脉冲拉伸器进行拉伸，以得到拉伸的脉冲激光；该拉伸脉冲激光再通过脉冲放大器对脉冲进行放大后，得到放大的拉伸脉冲激光；最后该放大的拉伸脉冲激光通过双光栅脉冲压缩器对脉冲进行适当的压缩，以得到放大的短脉冲激光。通过以上步骤得到的激光是能满足对材料表面改性延寿的最佳激光功率和功率密度的脉冲激光，从而可以实现高效、高质量的激光选择性改性延寿(如图5所示)。
[0021]利用本发明中得到的高质量纳秒激光对铝合金材料表面进行改性延寿，并获得其疲劳性能结果，如图6所示。可以明显看到，利用本方案得到的短脉冲激光对铝合金材料进行改性延寿，其疲劳寿命要比普通的激光的疲劳寿命长许多。
【权利要求】
1.一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法，包含以下步骤:A通过改变三束入射光之间的相对延迟，调制后向波的脉冲宽度，具体方法为:由Nd: YAG激光器(I)输出调Q脉冲，将所述调Q脉冲通过电光消波开关(2)获得一个接近矩形的脉冲，所述接近矩形的脉冲通过一级Nd =YAG放大器(3)放大后，能量得到放大，并且为垂直偏振光，所述垂直偏振光经过45°全反镜(4),聚焦透镜(5)和分束镜(7),垂直偏振光分成光束LI和光束L2，所述光束LI经过分束镜(6)又被分为光束L3和光束L4，所述光束L2经过分束镜(8)又被分为光束L5和光束L6，所述光束L4到达PIN (9)，所述光束L6到达强流管(11)，以用于探测入射波和后向波的脉冲波形；所述光束L3和所述光束L5进入混频介质CS2 (12)，同时经过全反镜13的另一束光L7也进入混频介质CS2 (12);光学延时器对三束光进行相对延时，以使三束光在介质中重叠，并产生后向波信号；B将步骤A中得到的脉宽被缩短的后向波信号经过双光栅线性调频脉冲放大法调制激光脉宽，具体过程为:将步骤A中的脉宽被缩短的后向波首先通过双光栅脉冲拉伸器进行拉伸，以得到拉伸的脉冲激光；该拉伸脉冲激光再通过脉冲放大器对脉冲进行放大后，得到放大的拉伸脉冲激光；最后该放大的拉伸脉冲激光通过双光栅脉冲压缩器对脉冲进行适当的压缩，以得到放大的短脉冲激光；C利用步骤B中得到的放大的短脉冲激光对材料的表面进行激光改性延寿操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法，其特征在于，通过改变三束入射光之间的相对延迟来实现对后向波脉宽的调制，所述三束入射光分别为光束L3、光束L5和光束L7 ;所述光束L4到达PIN(9)、所述光束L6到达强流管(11) 后分别与显示器(10)连接，所述显示器10上用来将其波形显示出来。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法，其特征在于，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脉冲为严格的高斯脉冲时，所述后向波的半宽度是比原来的入射波的脉宽窄石倍，与延迟时间无关。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法，其特征在于，所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的脉冲为矩形脉冲时，不延迟时脉宽不变; 有延迟时后向波的脉宽等于所述光束L3、所述光束L5和所述光束L7的入射脉冲在所述混频介质CS2 (12)中的重叠时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光脉宽调制的高质量激光改性延寿方法，其特征在于，采用双光栅线性调频脉冲放大法来调节脉宽，以得到最佳激光功率和功率密度的脉冲激光。
【文档编号】C22F3/00GK103526145SQ201310469762
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】任旭东, 侯丽华, 戴文杰, 王德顺, 吴坤, 左成亚 申请人:江苏大学