[发明专利]激光冲击喷丸处理中使用的方法和设备

说明书

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。

技术领域

本申请涉及激光冲击喷丸。

背景技术

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。

发明内容

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。