[发明专利]一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法

说明书

本发明属于激光冲击表面强化与改性应用领域，涉及一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，包括：在处于液体环境中待加工材料的上方设置透明真空容器，使透明真空容器下底面位于液面以下，上底面位于液面以上；采用飞秒激光光束穿过透明真空容器对待加工材料的表面进行冲击加工。可获得相对于大气环境下的飞秒激光冲击表面处理更显著的加工效果。本发明所述飞秒激光表面加工泛指具有超短脉冲宽度激光光束作为激光光源的加工过程，而所述超短脉冲激光指区别于常规ns脉冲宽度激光光束的脉冲宽度为ps或fs量级的激光光束。

技术领域

本发明属于激光冲击表面强化与改性应用领域，具体涉及一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

激光冲击技术是一种基于脉冲激光力效应而实现材料表面改性或加工的方法，在常规激光冲击表面处理过程中，材料表面涂敷去离子水或K9玻璃等约束层材料，并通常接收ns(纳秒)脉冲宽度的激光光束辐照。在所述常规激光冲击过程中，材料表面承受脉冲激光诱导形成的等离子体冲击效应，GPa量级的冲击压力使得材料表面发生塑性变形并形成期望的加工效果。

近年来，技术人员在常规激光冲击技术基础上，提出水下激光冲击表面处理技术，在加工过程中，完全浸没待加工材料的水环境成为激光冲击处理的约束介质。针对水下服役的待加工材料而采用的水下激光冲击表面处理，可采用ns脉冲宽度的激光光束以及更快的ps(皮秒)或fs(飞秒)脉冲宽度的激光光束。针对超大厚度水约束层造成的激光能量在传播途径中的损失，技术人员将ns脉冲激光的激光波长进行调整，进而发展了适用于核反应堆焊缝构件表面疲劳延寿处理的水下纳秒激光冲击应用技术。

然而，采用fs等更快脉冲宽度激光光束的水下激光冲击的发展却明显迟滞。水下飞秒激光冲击的过程中，激光入射导致水介质电离，从而使得绝大部分的激光能量在水中被消耗。极大程度的能量损失使得水下飞秒激光的激光冲击强度比大气环境下的激光冲击的加工强度更低，限制了水下环境超快脉冲激光表面加工技术的发展和应用。如何解决水下飞秒激光冲击处理的激光能量损失问题是本领域技术人员的努力方向之一。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出一种高强度液体约束的飞秒激光表面加工方法，可获得相对于大气环境下的飞秒激光冲击表面处理更显著的加工效果。本发明所述飞秒激光表面加工泛指具有超短脉冲宽度激光光束作为激光光源的加工过程，而所述超短脉冲激光指区别于常规ns脉冲宽度激光光束的脉冲宽度为ps或fs量级的激光光束。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，包括：

在处于液体环境中待加工材料的上方设置透明真空容器，使透明真空容器下底面位于液面以下，上底面位于液面以上；

采用飞秒激光光束穿过透明真空容器对待加工材料的表面进行冲击加工。

本发明的物理原理是：对于激光冲击技术来讲，液体约束层的施加直接控制了等离子体冲击压力的传播方向，使得冲击波压力被约束层限制在待加工材料表面而不向激光入射方向的反方向传播。常规加工过程中的流动液体约束层厚度约为1mm，然而，对于水下飞秒激光冲击技术来讲，待加工材料表面的水层厚度远大于1mm，飞秒激光在超高厚度的水环境传播途径中发生能量损失，等离子体冲击效果发生极大程度削弱。本发明提出通过减少脉冲激光能量的传播损失而提高激光冲击加工强度的具体方法，即当待加工材料所处水下环境的水约束层厚度不高于某具体临界值或可定量判断的能量损失较少时，采用设置激光光束波长为532nm的方式，减少激光能量的电离损耗；当待加工材料所处水下环境的水约束层厚度低于某具体临界值或可定量判断的能量损失较多时，采用增设透明真空管的方式，将激光器与待加工材料表面之间的水深降低，减少激光能量在水中因电离击穿而造成的损耗。