阅读说明：本技术 用于激光冲击的光斑整形装置及其方法 (Light spot shaping device and method for laser shock ) 是由 冯爱新 徐国秀 周远航 韩磊 王术新 潘晓铭 罗虹 张健 张成龙 吴成萌 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于激光冲击的光斑整形装置及方法,在入光口与出光口之间设有用于光斑整形的微透镜阵列系统、用于调节光斑大小的整形元件、准直镜、聚焦镜,微透镜阵列系统置于电动滑台一上,可移动,整形元件包含依次等距平行错列布置的扩束镜一、扩束镜二及扩束镜三,置于电动滑台二上,可移动。激光束从入光口进入,由微透镜阵列系统将圆光斑整形为能量分布均匀的方光斑,通过电动滑台二扩束镜一、扩束镜二及扩束镜三的切换,调节光斑大小；若无需光斑整形,电动滑台一控制微透镜阵列系统移动,光束未经过微透镜阵列系统,光束直接经过整形元件输出圆光斑；激光器输出的光斑在圆光斑与方光斑的之间快速转换,光束转化效率高,光强分布均匀、平顶。(The invention relates to a light spot shaping device and a light spot shaping method for laser shock.A micro-lens array system for shaping light spots, a shaping element for adjusting the size of the light spots, a collimating lens and a focusing lens are arranged between a light inlet and a light outlet, the micro-lens array system is arranged on an electric sliding table I and can move, and the shaping element comprises a beam expanding lens I, a beam expanding lens II and a beam expanding lens III which are sequentially arranged on the electric sliding table II in parallel and staggered at equal intervals and can move. Laser beams enter from a light inlet, a round light spot is shaped into a square light spot with uniform energy distribution by a micro-lens array system, and the size of the light spot is adjusted by switching a first beam expander, a second beam expander and a third beam expander of an electric sliding table; if the light spot shaping is not needed, the electric sliding table I controls the micro-lens array system to move, the light beam does not pass through the micro-lens array system, and the light beam directly passes through the shaping element to output a round light spot; the light spot output by the laser is quickly converted between the round light spot and the square light spot, the light beam conversion efficiency is high, and the light intensity distribution is uniform and flat.)

用于激光冲击的光斑整形装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于激光冲击的光斑整形装置及其方法，属于激光冲击加工技术领域。

背景技术

由于高能脉冲激光诱导冲击波来强化金属材料表面的激光冲击强化技术强化效果强，近年来得到广泛研究与应用。激光冲击能够提高材料的抗疲劳性能，但研究主要集中于圆形光斑的激光冲击，传统的激光冲击强化技术使用的是圆形光斑，研究的深入表明，在一些情况下，强化后的材料在光斑中心部位的残余压应力要低于周围，甚至变为拉应力。根据Fabbro总结的“残余应力洞”的成形原因，稀疏波向光斑中心的汇聚是引起“残余应力洞”的主要原因。而激光光斑转变为方形光斑后，稀疏波并不是在光斑中心同时汇聚，降低了“残余应力洞”现象。与圆形光斑相比，方形光斑具有更加均匀的残余应力场、不易产生应力空洞和强化后工件表面光滑、质量好等优点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于激光冲击的光斑整形装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于激光冲击的光斑整形装置，特点：在入光口与出光口之间依次设有用于光斑整形的微透镜阵列系统、用于调节光斑大小的整形元件、准直镜和聚焦镜，微透镜阵列系统置于电动滑台一上，可移动，所述整形元件包含依次等距平行错列布置的扩束镜一、扩束镜二及扩束镜三，置于电动滑台二上，可移动。

进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形装置，其中，所述微透镜阵列系统包括在入光孔与出光孔之间设置的微透镜阵列与焦平面。

进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形装置，其中，所述微透镜阵列是由孔径为微米级至百微米级的微透镜排列组合而成。

进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形装置，其中，所述微透镜阵列的微透镜是532nm和1064nm的透射率在99.5％以上的镜片。

进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形装置，其中，所述微透镜阵列为方形微透镜阵列，将激光束由圆光斑转化为方光斑。

进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形装置，其中，所述扩束镜一、扩束镜二与扩束镜三固定在底板上，底板置于电动滑台二，且扩束镜一位于扩束镜二的左侧，扩束镜三位于扩束镜二的右侧；所述扩束镜一与扩束镜二的中心线距离为85mm，扩束镜三与扩束镜二的中心线距离为85mm；所述扩束镜一与扩束镜二的斜边距离为120mm，扩束镜三与扩束镜二的斜边距离为120mm；所述聚焦镜置于电动滑台三上，可移动。

本发明用于激光冲击的光斑整形方法，激光束从入光口进入，由微透镜阵列系统将圆光斑整形为能量分布均匀的方光斑，通过电动滑台二控制整形元件的扩束镜一、扩束镜二及扩束镜三的切换，调节光斑大小，光束经准直镜准直，聚焦镜聚焦后输出；若无需光斑整形，通过电动滑台一控制微透镜阵列系统移动，使光束未经过微透镜阵列系统，光束直接经过整形元件输出圆光斑，光束经准直镜准直，聚焦镜聚焦后输出，并通过电动滑台三驱动聚焦镜来改变光斑大小；实现激光器输出的光斑在圆光斑与方光斑的之间快速转换。

更进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形方法，微透镜阵列系统包括在入光孔与出光孔之间设置的微透镜阵列与焦平面，当入射光经过微透镜阵列后，被分割成若干细小子光束，子光束由聚焦透镜聚焦在焦平面上，后从出光孔输出方光斑。

更进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形方法，所述微透镜阵列通过两个方向将圆光斑压缩为方光斑，得到的方光斑光强为平顶分布，且光强平顶分布波动在98％±2％。

更进一步地，上述的用于激光冲击的光斑整形方法，扩束镜一、扩束镜二及扩束镜三置于电动滑台二上，通过电动滑台二驱动其移动，调节光斑大小分别至3mm、4mm和5mm。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

本发明利用微透镜阵列将圆光斑转为方光斑，光束转化效率高，光强分布均匀、平顶，光斑四周边界锐利无鬼像，光斑形貌清晰规整。使激光器输出的光斑在圆光斑与方光斑的快速转换，装置结构简洁，为一实用的新设计。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明

具体实施方式

了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明方光斑输出形式的光路结构示意图；

图2：微透镜阵列系统的结构示意图；

图3：本发明圆光斑形式的光路结构示意图；

图4：三只扩束镜的位置关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1和图4所示，用于激光冲击的光斑整形装置，在入光口1与出光口8之间设有用于光斑整形的微透镜阵列系统2以及用于调节光斑大小的整形元件4、准直镜5和聚焦镜6，微透镜阵列系统2置于电动滑台一3上，电动滑台一3可驱动微透镜阵列系统2移动，使其进入或离开光路；整形元件包含依次等距错列平行布置的扩束镜一13、扩束镜二11及扩束镜三9，安装在底板12上，底板12置于电动滑台二10上，电动滑台二10可驱动扩束镜移动；三只扩束镜的相互位置关系如图4所示，扩束镜一13与扩束镜二11的中心线距离为85mm，扩束镜三9与扩束镜二11的中心线距离为85mm；扩束镜一13与扩束镜二11的斜边距离为120mm，扩束镜三9与扩束镜二11的斜边距离为120mm；聚焦镜6置于电动滑台三7上，可移动。

光束经准直镜5准直，输出的激光通过准直镜5将扩束光转为平行光，聚焦镜6聚焦后输出。

聚焦镜6置于电动滑台三7上，可移动；聚焦镜6有两个作用：一是将经过准直镜5后的平行光聚焦，二是当输出圆光斑时，通过移动电动滑台三7调节光斑大小。

如图2所示，微透镜阵列系统2包括在入光孔21与出光孔24之间设置的微透镜阵列22与焦平面23，微透镜阵列22是由一些孔径为几微米到几百微米的微小透镜按排列顺序组合而成。微透镜阵列22的微透镜是532nm和1064nm的透射率在99.5％以上的镜片。

微透镜阵列22为方形微透镜阵列，将激光束由圆光斑转化为方光斑。当入射光经过微透镜阵列22后，被分割成许多细小的子光束，这些子光束由聚焦透镜聚焦在焦平面上，最后从出光孔输出方光斑；由于被分割的子光束光斑半径小，均匀性高，得到的聚焦光斑的均匀性得到提升。

激光束从入光口1进入，由微透镜阵列系统2将圆光斑整形为能量分布均匀的方光斑，当入射光经过微透镜阵列22后，被分割成若干细小子光束，子光束由聚焦透镜聚焦在焦平面23上，后从出光孔24输出方光斑；微透镜阵列22通过两个方向将圆光斑压缩为方光斑，得到的方光斑光强为平顶分布，且光强平顶分布波动在98％±2％，光斑边界锐利，无鬼像；通过电动滑台二10控制整形元件4的扩束镜一13、扩束镜二11及扩束镜三9的切换，调节光斑大小，通过电动滑台二10驱动其移动可调节光斑大小分别至3mm、4mm和5mm，光束经准直镜5准直，聚焦镜6聚焦后输出。

如图3所示，若无需光斑整形，通过电动滑台一3控制微透镜阵列系统2移动，使光束未经过微透镜阵列系统2，光束直接经过整形元件4输出圆光斑，光束经准直镜5准直，聚焦镜6聚焦后输出，并通过驱动电动滑台三7移动聚焦镜6来改变光斑大小，激光器输出的光斑在圆光斑与方光斑的之间快速转换。

综上所述，本发明利用微透镜阵列将圆光斑转为方光斑，光束转化效率高，光强分布均匀、平顶，光斑四周边界锐利无鬼像，光斑形貌清晰规整。使激光器输出的光斑在圆光斑与方光斑的快速转换，装置结构简洁。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。