【摘 要】
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作为最前沿的高新表面改性技术之一,激光冲击强化（Laser Shock Peening,LSP）技术广泛应用于航空工业、石油化工、船舶交通、生物医疗等领域,能够显著提升金属材料的抗疲劳、耐腐蚀及耐磨损能力。作为LSP系统的核心组成部分,激光光源决定了LSP的工艺效果与应用价值。近年来,激光二极管泵浦全固态激光器（Diode Pumped Solid State Laser,DPSSL）的蓬勃发展为
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作为最前沿的高新表面改性技术之一,激光冲击强化（Laser Shock Peening,LSP）技术广泛应用于航空工业、石油化工、船舶交通、生物医疗等领域,能够显著提升金属材料的抗疲劳、耐腐蚀及耐磨损能力。作为LSP系统的核心组成部分,激光光源决定了LSP的工艺效果与应用价值。近年来,激光二极管泵浦全固态激光器（Diode Pumped Solid State Laser,DPSSL）的蓬勃发展为激光冲击强化用光源的设计研究提供了新的契机。本文从高效率DPSSL出发,开展了激光冲击强化用光源的设计与实验研究,主要研究内容与成果如下:1.介绍了LSP的原理及其相关技术的发展及应用,总结了国内外LSP用光源的研究现状。从Fabrro冲击波压力模型出发,讨论了LSP用光源的基本设计参数及其对LSP工艺的影响。总结了多种激光晶体的物化特性,并着重介绍Nd:YAG的激光性能。针对主振荡功率放大（Master Oscillator Power Amplifier,MOPA）技术路线,分析了激光主放大器所面临的热效应、ASE效应及构型设计等主要技术问题。2.设计了背向泵浦直接水冷构型的片状Nd:YAG有源反射镜主放大器,对泵浦耦合与热管理方案进行了仿真设计与优化。基于Zemax光束追迹软件建立了泵浦LD面阵模型,设计了导光锥匀滑器,并分析了不同设计参数下泵浦耦合的匀滑效果。依据ANASYS有限元分析软件,开展了直接液冷方式的热管理能力优化设计,分析了晶体厚度、对流换热系数等参数对放大器热管理能力的影响。基于MOPA技术路线,设计并搭建了四模组Nd:YAG片状主放大器储能与提取实验。在注入种子光能量为495m J、泵浦能量为55J时,实现了最大脉冲能量为10J/10ns/10Hz的30mm×30mm方形光斑激光输出,其光光转化效率为18.5%,输出脉冲能量稳定性（RMS）为0.66%。基于此光源系统,设计并进行了铝合金及铬钢材料的大能量LSP实验。依次分析了光斑搭接率、激光脉冲能量、冲击次数等参数对靶材表面显微硬度、残余应力、晶粒细化等特性的改善效果。在最优光斑搭接率为60%的条件下,分别对铝合金及铬钢两种靶材进行了不同能量的LSP实验,结果表明:铝合金与铬钢靶材分别在2.1J及5.3J能量LSP处理下,靶材表面分别产生了-100MPa及-580MPa的残余压应力,显微硬度均有明显提升,并伴随晶粒细化现象。初步验证了所设计光源的可行性。3.针对极具发展潜力的低能量冲击强化设备,提出一种紧凑可靠的小能量LSP激光光源设计方案。介绍了固体激光器电光调Q方法,并从四能级调Q速率方程出发,基于拉格朗日乘数法推导了激光器输出能量与脉宽的数值模型,借助Matlab软件分析了不同参数对激光输出特性的影响。针对紧凑便携及室外使用等设计需求,考虑到宽温变化及振动引起的谐振腔失谐及泵浦波长漂移,开展了TEC冷却的双正交porro棱镜组合腔Nd:YAG电光调Q激光器设计及实验研究。从数值模型上对此电光调Q激光光源的输出参数进行分析计算,并搭建实验加以验证。在25Hz重复频率下实现了101.2m J/9.6ns最大脉冲能量输出,且光束质量M~2为4.6,能量抖动率为0.8%,理论计算与实验结果基本相符。测量了该激光器在-30℃至50℃的输出特性,室温下最大输出脉冲能量为101.2m J,且在50℃时仍能达到65m J。本文设计的光源输出性能稳定、结构紧凑,可为未来的紧凑便携式小能量LSP系统提供光源技术储备。
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