一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法技术

本发明专利技术涉及一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法，整形镜具有圆片形基体，整形镜的底面为平面，所述整形镜的上表面是由四个形状相同的平面组成的四棱锥，四棱锥的四个棱锥面的棱边为圆锥面。激光经整形镜后，由于四个面的折射作用，被分解成四个扇形面和四个圆锥面，由棱透镜单独实现的效果变成棱透镜+圆锥透镜综合作用来实现边界效应的弱化。本发明专利技术可以实现方形光斑能量密度由平顶分布改为边缘能量斜坡形分布，降低了方形光斑边缘能量密度，从而保持了搭接的方形光斑冲击区域的搭接区与非搭接区冲击强度的一致性，保证了整个冲击区域的强度均匀性。

Shaping mirror and method for controlling energy density of laser square spot facet

The invention relates to a plastic mirror and method for regulating the edge energy density of a laser square spot. The plastic mirror has a wafer base and the bottom of the plastic mirror is plane. The upper surface of the plastic mirror is a four pyramid consisting of four planes of the same shape, and the edge of the four pyramid surface of the four pyramid is a conical surface. After the laser through the plastic mirror, it is decomposed into four sector surfaces and four conical surfaces due to the refraction of four surfaces. The effect of the lens, which is realized by the lens alone, becomes the integration of the lens and the conical lens to weaken the boundary effect. The energy density of the square spot can be changed from the flat top distribution to the edge energy slope distribution, and the energy density of the square spot edge can be reduced, thus the consistency of the impact strength of the lap zone and the non Lap Zone of the overlapping square spot impact area is maintained, and the strength uniformity of the whole impact area is ensured.

【技术实现步骤摘要】
一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法
本专利技术涉及一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法，属于激光加工

技术介绍
激光冲击强化（激光喷丸）技术是利用纳秒级强脉冲激光透过对激光透明的约束介质在金属表面被吸收层吸收后产生高温高压等离子体，等离子体爆炸产生强冲击波诱导材料表面产生塑性变形、晶粒细化并获得表层残余压应力从而提高金属结构的抗疲劳及应力腐蚀性能。激光冲击强化技术所用的激光光斑，常用的为圆形光斑及方形光斑。由于方形光斑能量均匀性更好、搭接率易于控制及计算，因此得到了愈来愈广泛的应用。采用方形光斑的激光冲击强化，由于方形光斑边界效应的存在，光斑之间搭接时，造成搭接区冲击强度高于非搭接区，从而造成整个强化区域冲击强度的不均匀。
技术实现思路
为了克服现有的方形光斑边界效应及由此造成的搭接的方形光斑搭接区与非搭接区冲击强度的不均匀，本专利技术提供了一种激光冲击强化用高能纳秒脉冲激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法，可以实现方形光斑能量密度由平顶分布改为边缘能量斜坡形分布，降低了方形光斑边缘能量密度，从而保持了搭接的方形光斑冲击区域的搭接区与非搭接区冲击强度的一致性，保证了整个冲击区域的强度均匀性。该方法解决了由于方形光斑其边界效应的存在，造成的搭接区与非搭接区激光功率密度的差异，从而导致整个强化区域冲击强度的不均匀。为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下方案实现：本专利技术提供了一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜，整形镜具有圆片形基体，整形镜的底面为平面，所述整形镜的上表面是由四个形状相同的平面组成的四棱锥，四棱锥的四个棱锥面的棱边为圆锥面。激光经整形镜后，由于四个面的折射作用，被分解成四个扇形面和四个圆锥面，由棱透镜单独实现的效果变成棱透镜+圆锥透镜综合作用来实现边界效应的弱化，四个形状相同的平面与整形透镜的底面的夹角均为α，α=0.02～0.4弧度。本专利技术还提供了一种激光方形光斑边缘能量密度调控的方法，其特征在于：采用整形镜实现光方形光斑边缘能量密度调控，所述整形镜具有圆片形基体，整形镜的底面为平面，整形镜的上表面是由四个形状相同的平面组成的四棱锥，四棱锥的四个棱锥面的棱边为圆锥面，四个形状相同的平面与整形镜的底面的夹角均为α，α=0.02～0.4弧度；激光经整形镜后，由于四个面的折射作用，被分解成四个扇形面和四个圆锥面，由棱透镜单独实现的效果变成棱透镜+圆锥透镜综合作用来实现边界效应的弱化，使方形光斑能量密度分布变为斜坡型分布，降低了方形光斑边缘能量密度，从而保持了搭接的方形光斑冲击区域，搭接区与非搭接区冲击强度的一致性。在一个优化的技术方案中，所述圆锥面的宽度为d，d=（0.2～1）mm，所述整形透的直径为20～80mm，整形镜上部曲率半径r=(d/2)/sinα。在一个优化的技术方案中，所述激光为高能脉冲激光，能量10J以上，脉宽15～30ns，整形后的方形光斑边长3mm以上，方形光斑搭接率10%～20%。本专利技术的技术效果如下：（1）本专利技术提供的一种实现方形光斑边缘能量密度调控的处理方法，解决了由于方形光斑其边界效应的存在，造成的搭接区与非搭接区激光功率密度的差异，从而导致整个强化区域冲击强度的不均匀。采用本专利技术，可以提高方形光斑搭接区与非搭接区功率密度的一致性，从而提高整个冲击区域的强度均匀性。（2）该方法易于实现，且具有良好的控制性。适用于航空航天关键零部件方形光斑的激光冲击表面改性处理。操作简单，便于推广使用。（3）根据相关文献与专利检索查阅，到目前为止，国内外没有本专利技术所涉及的关于采用方形光斑能量密度由平顶分布改为边缘能量斜坡形分布的公开报道。本专利技术具有独创性。附图说明图1原整形镜结构的俯视图；图2原整形镜结构的正视图；图3本专利技术改进后的整形镜结构的俯视图；图4本专利技术改进后的整形镜结构的正视图；图5经过本专利技术整形后方形光斑轮廓示意图；图6整形前整形前光斑能量密度分布；；图7整形后光斑能量密度分布。具体实施方式下面结合具体实施例和说明书附图对本专利技术的一种高能纳秒脉冲激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法作进一步阐述，但本专利技术的保护内容并不限于以下实施例。实施例1原整形镜示意图如图1和2所示。该整形镜具有一个直径为D、厚度为t的圆片形基体，其底面为平面，整形镜的上表面是由四个平面A、B、C、D组成的四棱锥，四个平面A、B、C、D形状相同，圆形光斑经四棱镜后，由于平面A、B、C、D四个面的折射作用，被分解成四个直角扇形，随后四个直角扇形随焦距的调整向中间合拢，在工作焦点位置四个直角扇形重叠形成正方形。平面A、B、C、D与整形透镜底面的夹角均为α，α=0.01～0.4弧度。光斑能量密度分布如图6所示，X方向为光斑大小，Y为能量密度。本专利技术对原整形镜四个棱边进行处理，将原整形镜四个棱边加工成圆弧面，即整形镜上表面由四个棱锥面的棱边加工成圆锥面。令改进后整形镜上表面四个区域分别为E、F、G、H。如图3和4所示。圆锥面加工宽度为d，d=（0.2～1）mm，加工后原整形镜上表面四个平面区域由A、B、C、D变为E、F、G、H，且每个平面区域与整形透镜底面的夹角均为α1，α1=（0.02～0.4）弧度，加工后，由原来一个扇形面变为四个扇形面和四个圆锥面，即棱透镜+圆锥透镜，由棱透镜单独实现的效果变成棱透镜+圆锥透镜综合作用来实现边界效应的弱化。其中，d为处理区域宽度，决定着光斑能量平滑过渡的宽度，r为整形镜上部曲率半径，决定着能量衰减的幅度，r=(d/2)/sinα。整形透镜直径(20～80)mm。所用高能脉冲激光能量10J及以上，脉宽(15～30)ns，整形后的方形光斑边长3mm及以上，所用强化的方形光斑搭接率10%～20%。经过本专利技术整形后方形光斑轮廓示意图5所示。光斑能量密度分布如图7所示，X方向为光斑大小，Y为能量密度。可见，本专利技术使得方形光斑能量密度由平顶分布改为边缘能量斜坡形分布。令方形光斑边长为4mm，搭接率为15%，则搭接区宽度为0.6mm。则d=0.6mm。则r=(d/2)/sinα=3.75。具体试验结果如下表所示。搭接率dαr10%0.40.021015%0.60.083.7520%0.80.41本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜，整形镜具有圆片形基体，整形镜的底面为平面，其特征在于，所述整形镜的上表面是由四个形状相同的平面组成的四棱锥，四棱锥的四个棱锥面的棱边为圆锥面。

【技术特征摘要】
1.一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜，整形镜具有圆片形基体，整形镜的底面为平面，其特征在于，所述整形镜的上表面是由四个形状相同的平面组成的四棱锥，四棱锥的四个棱锥面的棱边为圆锥面。2.根据权利要求1所述的激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜，其特征在于，激光经整形镜后，由于四个面的折射作用，被分解成四个扇形面和四个圆锥面，由棱透镜单独实现的效果变成棱透镜+圆锥透镜综合作用来实现边界效应的弱化，四个形状相同的平面与整形透镜的底面的夹角均为α，α=0.02～0.4弧度。3.一种激光方形光斑边缘能量密度调控的方法，其特征在于：采用整形镜实现激光方形光斑边缘能量密度调控，所述整形镜具有圆片形基体，整形镜的底面为平面，整形镜的上表面是由四个形状相同的平面组成的四棱锥，四棱锥的四个棱锥面的棱边为圆锥面，四个形状相同的...

【专利技术属性】
技术研发人员：车志刚，巩水利，邹世坤，曹子文，吴俊峰，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11