基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究

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本文在分析国内外对激光冲击强化技术研究现状的基础上,结合激光冲击强化设备高功率固体激光器输出激光特性,对高功率固体激光器中长脉冲杂光(放大自发辐射和由于调Q功能不理想导致的漏光)影响激光冲击强化效果进行了基础性研究和创新性探索,同时提出了改善激光冲击强化设备的具体方案。本文研究内容和主要创新点如下:   1.分析了用于激光冲击强化的高功率固体激光器工作过程中长脉冲杂光存在的机理,并探讨了长脉冲杂光对主脉冲激光输出参数的影响,主要包括对主脉冲激光能量、脉冲宽度和能量均匀度的影响;   2.试验研究了长脉冲杂光对激光冲击诱导冲击波的影响,同时研究了长脉冲杂光对激光冲击强化铝合金相关性能的影响,主要包括铝合金表面残余应力和表面质量的影响。研究结果表明:当固体激光器抽运功率保持不变,长脉冲杂光越强,激光冲击诱导的冲击波峰值压力越小,铝合金经过冲击后表面的残余压应力越小,材料表面的粗糙度越大;当长脉冲杂光能量大到一定程度后,吸收层铝箔会被烧蚀穿透,材料表面会产生拉应力,降低了材料的机械性能;   3.针对现有的激光冲击强化物理模型,并从试验结果中得到启发,在长脉冲杂光存在的基础上,对现有的物理模型和激光诱导的峰值压力公式进行了修正;   4.针对现有激光冲击强化设备存在的缺陷,提出了一些改进的措施,主要包括激光器的工作频率、激光器的输出光斑以及激光器的结构。通过改变激光器的工作方式并利用自变焦扩束系统可以提高激光器的工作频率;利用相应的光学系统对激光器输出光斑进行整形可以得到方形光斑输出;参考目前美国利弗莫尔国家实验室研制的激光冲击强化设备,提出了今后激光冲击强化激光器的改进方向。
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