CN2017100036990一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号CN108374080A
(43)申请公布日2018.08.07
(21)申请号201710003699.0
(22)申请日2017.01.04
(71)申请人中国航空工业集团公司北京航空制
造工程研究所
地址100024北京市朝阳区八里桥北东军
庄1号
(72)发明人车志刚巩水利邹世坤曹子文
吴俊峰
(51)Int.Cl.
C21D10/00(2006.01)

权利要求书1页说明书3页附图3页
(54)发明名称
一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整
形镜及方法
(57)摘要
本发明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。
CN108374080A
CN108374080A权利要求书1/1页

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。
4.根据权利要求3所述的激光方形光斑边缘能量密度调控的方法，其特征在于：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。
5.根据权利要求3所述的激光方形光斑边缘能量密度调控的方法，其特征在于：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%。

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CN108374080A说明书1/3页

一种激光方形光斑边缘能量密度调控的整形镜及方法

技术领域
[0001]本发明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
技术领域。

背景技术
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

发明内容
[0005]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，本发明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。
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