专利名称：钕玻璃激光冲击处理机的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光应用技术。
激光冲击处理(LSP)是一种新发展起来的激光加工技术。其工作原理是利用高功率激光辐照到金属材料表面上，产生高温高密度高强度的等离子体，从而形成高强度的冲击应力波，该冲击波作用到金属工件或材料表面上，使其表层发生塑性变形，以提高金属材料的抗疲劳性能，延长使用寿命。已有的钕玻璃高功率激光装置中，其激光振荡器是单横模输出，它有发散角比较小的优点。但是这种激光振荡器输出能量很小，不能满足这种应用要求，使用时需多级放大，使其结构复杂化。因此目前国内外用于LSP处理的高功率激光装置的总体体积庞大，不仅操作复杂，而且只能固定在某一特定地点，激光束的照射方向固定，使用十分不便。另一方面，由于实际操作时会出现玻璃渣四处飞溅现象，也无法在生产现场使用。
本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种能实现整机移动、操作较为方便、安全无污染的高功率钕玻璃激光冲击强化装置。
本发明的目的由以下方式来实现。
本发明所述的钕玻璃激光冲击处理机，包括由调Q激光振荡器、空间滤波与扩束器、反射镜、磷酸盐钕玻璃激光放大器，菲涅耳隔离器组成的高功率激光发生装置，其特征在于，其中所使用的钕玻璃调Q激光振荡器是多横模叠加输出的磷酸盐钕玻璃调Q激光振荡器，在所述高功率激光发生装置产生的激光光路上依次接装有一个组合式活动关节光束传输器和一个能使激光束产生强冲击波的激光冲击头。所述的组合式活动关节光束传输器是由活动关节导光臂和多根光纤构成的导光束组合而成；所述的激光冲击头能够这样构成它包括安装在同一筒体内两端的会聚透镜、约束玻璃板，在约束玻璃板的外侧表面上涂有光能吸收涂层，约束玻璃板、会聚透镜分别由前、后盖固定，与光能吸收涂层接触的前盖中部是金属或非金属的薄层，在筒体中部也能够设一玻璃挡板。
现有技术中，所用的调Q激光振荡器是单横模的钕玻璃调Q激光振荡器，其输出的激光脉冲能量仅为毫焦耳级，必须使用多级放大与隔离器后才能实际使用，其总体光路可达数十米长，在进行冲击处理操作时，四处飞溅的玻璃渣很易伤人，且污染环境。本发明所述的钕玻璃激光冲击处理机，采用了多横模叠加输出的钕玻璃调Q激光振荡器，其输出的激光脉冲能量能方便地达到焦耳量级，克服了现有技术中使用单横模的钕玻璃调Q激光振荡器输出能量很小，不能满足应用要求的缺点。因此整个系统中大大减少了用于放大能量的放大器和隔离器的数目，使其结构筒单、紧凑，有效地缩小了整个装置的体积和重量，也便于调试、操作及维护。实验表明，本处理机的外形尺寸已能控制在2.2(长)×0.8(宽)×1.3(高)m范围内，重量约250kg左右，能整机移动，因而能方便地用于金属表面的强化处理，并能在生产现场使用。另一方面，现有技术中使用单根光纤作为光束传输器，传输功率低，而本机采用由活动关节导光臂和多根光纤组合而成的活动关节光束传输器，能够使高功率大口径的激光束有效地传输到任意方位，十分方便。
本发明使用的激光冲击头，光能吸收涂层附着在约束玻璃层的外侧表面上，改变了现有技术中将光能吸收涂层直接涂在工件表面的做法。不仅有利于操作，也不会影响工件的待冲击部位以外的地方；而且当涂层吸收激光后产生等离子体爆炸而形成冲击波时，破碎的玻璃渣被封闭在冲击头筒体的内部，不会四处飞溅，以保证在场人员的人身安全，并避免污染环境。因此能够将整机直接置于生产现场使用。
本发明所述的激光冲击头，能够和本发明所述的高功率激光发生装置配套使用，也能够用于现有技术的激光冲击强化处理装置中。
下面通过实施例及其附图作进一步描述。
图1是本发明所述的钕玻璃激光冲击处理机的整机结构示意图。
图2是本发明所述的激光冲击头的结构示意图。
参见图1，其方框内表达的是所述高功率强激光发生装置，其输出功率为千兆瓦级，脉宽为10纳秒级。其中，(1)多横模叠加输出的磷酸盐钕玻璃调Q激光振荡器，该振荡器产生的激光束通过空间滤波与扩束器(2)后，经反射镜(3)两次反射后进入磷酸盐钕玻璃激光放大器(4)和菲涅耳隔离器(5)，然后经反射镜(6)再一次通过磷酸盐钕玻璃放大器(9)后输出。(7)为激光充电与触发电源，(8)为电光调Q电源。该两电源分别与振荡器(1)和放大器(4)(9)连接，图中虚线表示了其连接关系。在实际使用中，以上所述的高功率激光发生装置中各部件连接、安装与调试与现有技术类似。相比之下，本装置采用了多横模叠加输出的磷酸盐钕玻璃调Q激光振荡器，输出的激光束能量高。由于整个高功率激光发生装置中仅用两级放大器和一个隔离器，整体体积小、重量轻，因此能够将所有部件组装在同一箱体内，以方便运输和使用。在所述高功率激光发生装置输出的激光光路上依次接装有一个组合式活动关节光束传输器(10)和一个能使激光束聚焦并产生强冲击波的激光冲击头(19)。使用时，将激光冲击头(12)的输出端贴近需强化的工件(13)表面。当发射激光时，激光冲击头中的光能吸收涂层接受到激光的辐射后生成等离子体所产生的爆炸冲击波，冲击金属工件表面，使其表层发生塑性变形，达到强化效果。本图中的箭头表示激光束的行进方向。
参见图2，(14)为会聚透镜，(15)为筒体，(13)为固定会聚透镜的后盖，其外圆面上设有外螺纹与筒体内孔壁上的内螺纹相配合。(16)为玻璃挡板，(18)为约束玻璃板。在该玻璃板的外侧面上涂有光能吸收涂层(19)。从组合式活动关节光束传输器输出的激光束经会聚透镜(14)、玻璃挡板(16)和约束玻璃板(18)，然后辐照到光能吸收涂层(19)处，高功率激光使该涂层产生等离子体并爆炸形成冲击波，冲击工件表面完成强化功能。(17)为内套，它起到固定玻璃挡板(16)的作用，该挡板能防止爆炸形成的玻璃碎片飞到会聚透镜处，避免其被污染。约束玻璃板(18)设置在内套的另一端，并有前盖(20)固定。前盖的中间部分为薄层，能够将冲击波传递到工件表面上。所述在约束玻璃板上附着的光能吸收涂层能使用市场上可购得的黑色涂料，如黑漆，也能够使用其它专用涂料。涂层的厚度一般为50微米左右。在前盖与工件表面、前盖与吸收涂层的交界面处还涂有硅油，以消除间隙，有利于提高冲击波透过率。
权利要求
1．一种钕玻璃激光冲击处理机，包括由钕玻璃调Q激光振荡器、空间滤波与扩束器、反射镜、磷酸盐钕玻璃激光放大器、菲涅耳隔离器组成的高功率激光发生装置，其特征在于，所使用的调Q激光振荡器是多横模叠加输出的磷酸盐钕玻璃调Q激光振荡器，在所述高功率激光发生装置产生的激光光路上依次接装有一个组合式活动关节光束传输器和一个能使激光束产生强冲击波的激光冲击头。
2．如权利要求1所述的钕玻璃激光冲击处理机，其特征在于，所述组合式活动关节光束传输器是由活动关节导光臂和多根光纤构成的导光束组合而成。
3．如权利要求1所述的钕玻璃激光冲击处理机，其特征在于所述的激光冲击头能够这样构成它包括安装在同一筒体内两端的会聚透镜和约束玻璃板，在约束玻璃板的外侧表面上涂有光能吸收涂层，约束玻璃板、会聚透镜分别由前、后盖固定，与光能吸收涂层接触的前盖中部是金属或非金属的薄层。
4．如权利要求3所述的钕玻璃激光冲击处理机，其特征在于所述的激光冲击头的筒体中部能够设有一玻璃挡板。
全文摘要
本发明涉及激光应用技术。所述的钕玻璃激光冲击处理机包括由调Q激光振荡器、反射镜、磷酸盐钕玻璃激光放大器、菲涅耳隔离器组成的高功率激光发生装置,其激光振荡器是多横模叠加的磷酸盐钕玻璃调Q激光振荡器,在该激光装置输出的光路上设有组合式活动关节光束传输器和激光冲击头。本机结构紧凑、体积小、重量轻,能整机移动,使用了组合式光束传输器及一体化的激光冲击头,能在生产现场对金属工件的不同部位进行激光冲击处理,安全无污染。
文档编号H01S3/11GK1313164SQ0011212
公开日2001年9月19日 申请日期2000年3月10日 优先权日2000年3月10日
发明者吴鸿兴, 郭大浩, 王声波, 戴宇生, 夏小平 申请人:中国科学技术大学