[发明专利]一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法

说明书

本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，特别涉及一种利用飞秒激光双脉冲对等离子体和冲击波进行调控，进而提高激光辐照区域材料表面质量和性能的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明与传统的激光冲击强化相比，通过采用飞秒激光双脉冲技术，调控辐照材料局部瞬时电子状态，进而调控等离子体和冲击波的喷发状态，提高吸收层对激光能量的吸收效率，有效避免了材料的热损伤，同时在很大程度上提高激光辐照区域材料的表面质量和性能，进而增强了激光冲击强化的效果，适用于材料表面质量和性能的高效率提高，可以实现超精细和复杂三维结构的可控强化。

技术领域

本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，特别涉及一种利用飞秒激光双脉冲对等离子体和冲击波进行调控，进而提高激光辐照区域材料表面质量和性能的方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

激光冲击强化技术是一种目前广泛应用的材料表面处理技术，主要针对金属及合金材料等，在航空航天领域有重大应用。其主要原理是利用高功率密度和短脉冲的激光在材料表面诱导高压冲击波，使材料表层发生残余应力层加深，晶粒细化和塑性变形等，进而实现材料抗疲劳和耐磨损、耐腐蚀等性能的显著提高。用于冲击强化的激光峰值功率需达到GW量级才能形成有效冲击。

飞秒激光因为其超高的峰值功率、超短的脉冲持续时间，超光学衍射极限的加工精度，广泛应用于材料微纳加工领域。在激光冲击强化过程中，目前比较普遍的方法是利用纳秒激光单脉冲进行冲击强化。这种方法主要存在以下缺点：纳秒激光脉冲的峰值功率密度受限，其诱导的等离子体冲击波压力较弱，对表面质量的提高作用有效；为了达到更好的冲击效果，利用纳秒激光进行冲击强化时吸收层的厚度受限制，吸收层太厚起不到有效冲击，但吸收层太薄会导致材料表面的损伤；同时，纳秒激光在辐照材料时会伴随有热效应，因此可能导致材料熔融并产生重铸层或微裂纹，不利于材料表面质量的改善；纳秒激光的加工精度较低，无法实现对材料特定区域的精确冲击强化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，该方法在上述激光冲击强化方法的基础上，通过飞秒激光双脉冲取代传统的纳秒激光单脉冲，调控材料局部瞬时电子状态，提高吸收层对激光能量的吸收效率，有效避免材料表面的热损伤，显著增强飞秒激光辐照区的等离子体冲击波强度，实现突破光学衍射极限精度的冲击强化效果。

本发明的目的是通过以下技术来实现的：

一种基于电子动态调控的飞秒激光冲击强化增强的方法，具体步骤如下：

步骤一、通过迈克尔逊干涉仪，利用分振幅法使飞秒激光光束分为双光束，分别经过平面镜反射后重新合束，从而将传统的飞秒激光单脉冲光束调制为飞秒激光双脉冲光束。通过调节迈克尔逊干涉仪反射臂长度，可以调节两个子脉冲之间的延迟时间范围为100fs-100ps。

步骤二、在待强化的金属或合金材料表面覆盖吸收层，吸收层一般为铝箔或高分子黑胶带，厚度约为50-200μm。

步骤三、把步骤一产生的飞秒激光双脉冲聚焦到步骤二中金属或合金材料表面的吸收层，使吸收层材料在短时间内快速电离为等离子体，并急剧膨胀形成冲击波，冲击波在约束层的作用下只能向材料方向传播，金属或合金材料在冲击波的强烈冲击下产生屈服。约束层一般为水、空气或K9玻璃。

步骤四、去除金属或合金材料表面的吸收层，在飞秒激光双脉冲扫描区域，金属或合金材料表面受到冲击波的巨大压力，产生残余应力、位错、孪晶等，从而使其表面质量和性能得到改善。

实现上述方法的装置，包括：飞秒激光器、机械开关、第一光阑、第一连续衰减片、分束镜、第二光阑、第二连续衰减片、第一反射镜、一维平移台、第三光阑、第三连续衰减片、第二反射镜、聚焦物镜、待强化样品、三维移动平移台和计算机。