(A) study on zoom homogenizer for laser shock peening = 레이저 충격 피닝을 위한 줌 균질기에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the field of Laser Shock Peening (LSP) as well as various laser materials processing, a uniform beam is favorable for processing quality, and a square-shaped beam is advantageous for process efficiency, respectively. A beam homogenizer makes it possible to generate a square-shaped uniform beam simultaneously. The beam homogenizer is an optical system that has already been applied to the other materials processing, but there is no beam homogenizer for the LSP yet. Until now, it has been difficult to fabricate a lens array which is the fundamental optics of a beam homogenizer for the LSP. For the design, it is essential to manage the risks of the coating damage and the plasma formation inside the optical system due to the high energy input beam. Despite the absence of the previous studies on the beam homogenizer for the LSP, this study has dealt with the overall actual design issues. Also, we proposed an optical system that can change the area of a square-shaped beam irradiated by adding a zoom function to a conventional beam homogenizer in real time. In this study, we designed a zoom homogenizer suitable for laser shock peening.
In Chapter I, we look at the theoretical background and motivation of this study. We review the concept and research trend of laser shock peening. And we propose a beam homogenizer which can generate a square-shaped uniform beam.
In Chapter II, we deal with the working distance of the beam homogenizer which should be considered when applying square-shaped beam homogenizer to laser shock peening process. For this, we configured the beam homogenizer in two kinds of simulation: illumination and diffraction methods. We performed the illumination simulation based on geometrical ray optics with CODE V, a commercial lens design program. And we used Fresnel diffraction theory and convolution theory for the diffraction simulation. In both simulations, we obtained multiple beam data around the image plane of the beam homogenizer. Since the plasma threshold of the metal target is an essential variable due to the characteristics of the laser shock peening process, we considered the plasma threshold in the simulations. We defined the range where the energy efficiency over the plasma threshold is above 0.5 as the depth of focus(DOF) of the beam homogenizer for the LSP (LSP-DOF). Also, we defined the range where the root mean square(RMS) of the beam distribution over the plasma threshold is less than 5% as the depth of uniformity(DOU) of the beam homogenizer for the LSP(LSP-DOU). And we defined the range where these two ranges overlap is defined as the working distance(WD) of the beam homogenizer for the LSP (LSP-WD). Finally, we show the effect of some parameters on the LSP-DOF, LSP-DOU, and LSP-WD.
In Chapter III, we introduce the concept, features, and limitations of the conventional beam homogenizer, and deal with the newly proposed zoom homogenizer design method. The zoom homogenizer was assumed to be a thin lens and was designed using the equivalent focal length of the lens system. The conventional beam homogenizer has an imaging condition when there are two lens arrays. The generated illumination field is uniform, and the edge is clear in imaging condition. However, under this condition, zooming is impossible. When changing the distance between the lenses to zoom, the imaging condition is broken, and a clear beam is not formed. In this chapter, the imaging condition is derived to produce sharp illumination fields at all zoom positions. We verified the validity of the zoom homogenizer with CODE V, a commercial lens design program. The size of the illumination field was changed at each zoom position, but the sharpness remained the same.
In Chapter IV, we have dealt with the design of a zoom homogenizer suitable for an LSP to apply the zoom homogenizer to the LSP. Though we designed the zoom homogenizer with a thin lens approximation, in this chapter, we considered the thickness of lenses to place the lenses precisely. We derived the imaging condition of the zoom homogenizer considering the thickness. In consideration of the high energy density of the input beam to be injected into the homogenizer, we confirmed the illumination simulation whether the coating of the lens is tolerable. We also performed a risk analysis for plasma formation that may occur at the focus of the main beam and the ghost beam. We also analyzed the LSP-WD characteristics defined in Chapter II for the designed zoom homogenizer. A monitoring system has been designed for real-time monitoring the square-shaped beam or the plasma at the metal target. The zoom homogenizer system for the LSP proposed in this study contains a waterjet type nozzle, and the nozzle allows water to be laminar flow inside of itself. Finally, we provide the final drawings of the design of the zoom homogenizer system for the LSP designed so far.

국문 초록 (Abstract)

레이저 충격 피닝(LSP)을 포함한 다양한 레이저 재료 가공 분야에서 균일한 빔은 가공 품질에 유리하며 사각형 빔은 공정 효율에 유리하다. 빔 균질기는 사각형의 균일 한 빔을 동시에 발생시킬 수 있게 한다. 빔 균질기는 이미 다른 재료 가공에 적용된 광학 시스템이지만 LSP 용 빔 균질기가 아직 없다. 지금까지는 LSP 용 빔 균질기의 렌즈 어레이를 제작하는 것에 어려움이 있었다. 또한 설계를 위해서는 고 에너지 입력 빔으로 인한 광학 시스템 내부의 코팅 손상 및 플라즈마 형성의 위험을 분석하는 것이 필수적이다. LSP에 대한 빔 균질기에 대한 이전 연구가 없었음에도 불구하고 본 연구는 전반적으로 실제적인 설계 문제를 다루었다. 또한 기존의 빔 균질기에 줌 기능을 추가하여 조사된 사각형 빔의 면적을 실시간으로 변화시킬 수 있는 광학 시스템을 제안하였다. 본 연구에서는 LSP에 적합한 줌 균질기를 설계하였다.
Chapter I에서는 본 연구의 이론적인 배경 및 동기를 제공하며, 기존 레이저 충격 피닝의 개념 및 연구 동향을 소개한다. 또한 균일한 사각 빔 생성에 적합한 빔 균질기에 대한 개념을 소개한다.
Chapter II에서는 사각 빔 균질기를 레이저 충격 피닝 공정에 적용할 때 고려해야 할, 빔 균질기의 작업거리에 대한 연구를 다루었다. 이를 위해 조명 및 회절 두 종류 방식으로 빔 균질기를 구성하고 시뮬레이션을 수행하였다. 조명 시뮬레이션은 상용 렌즈설계 프로그램인 CODE V로 구성하였고, 회절 시뮬레이션은 프레넬 회절 이론과 컨볼루션 이론을 기반으로 구성하였다. 두 시뮬레이션 모두, 빔 균질기의 이미지 평면 주변에서 다수의 빔 데이터를 얻었다. 레이저 충격 피닝 공정 특성상 금속 타겟의 플라즈마 한계치가 중요한 변수이므로 이를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 인풋 에너지 대비 플라즈마 한계치 이상에서의 에너지 효율이 0.5 이상일 때를 LSP를 위한 빔 균질기의 초점 심도(LSP-DOF)로 정의하였다. 플라즈마 한계치 이상에서의 빔 분포의 RMS가 5 % 이하일 때의 범위를 LSP를 위한 빔 균질기의 균일도 범위(LSP-DOU)로 정의하였다. 이 두 범위가 겹치는 영역을 LSP를 위한 빔 균질기의 작업거리(LSP-WD)로 정의하였다. 끝으로, 빔 균질기 및 금속 타겟의 파라미터 변화가 LSP-DOF, LSP-DOU 및 LSP-WD에 미치는 영향을 보여준다.
Chapter III에서는 기존 빔 균질기의 개념, 특징 및 한계를 소개하고, 본 연구에서 새로 제안하는 줌 균질기 설계법을 다룬다. 줌 균질기는 얇은 렌즈로 가정하였고, 렌즈 시스템의 등가 초점 거리를 사용하여 설계하였다. 기존 빔 균질기는 렌즈 어레이가 2개일 때 이미징 조건이 존재하며, 이 때 생성되는 조명 필드는 균일하며 가장자리가 선명하다. 그러나 이 조건으로는 줌이 불가능하여, 줌을 시도하기 위해 렌즈간 거리를 변경할 경우 이미징 조건을 만족하지 않아 가장자리가 선명한 조명 분포가 형성되지 않는다. 본 챕터에서는 모든 줌 위치에서 선명한 조명 필드를 생성하도록 이미징 조건을 유도하였다. 줌 위치별로 조명 필드의 사이즈는 변하지만 선명도가 그대로 유지되는 결과를 상용 렌즈 설계 프로그램인 CODE V를 통해 확인하였다.
Chapter IV 에서는, 실제로 줌 균질기를 LSP에 적용하기 위해서 LSP에 적합한 줌 균질기 설계에 대한 내용을 다루었다. 앞서 얇은 줌 균질기를 얇은 렌즈로 가정하여 설계하였으나, 실제 렌즈는 두께를 가지고 있으므로 두께를 고려하여 이미징 조건을 유도하고 설계하였다. 실제 줌 균질기로 입사될 인풋 빔의 높은 에너지 밀도를 고려해, 렌즈의 코팅이 견딜 수 있는지 조명 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 메인 빔 및 고스트 빔의 초점 형성에 의한 플라즈마 형성에 대한 위험 분석을 수행하였다. 또한 설계한 줌 균질기에 대해, Chapter II에서 정의한 LSP-WD 특성을 분석하였다. 줌 균질기 광학계 설계뿐 아니라, 타겟에서 생성되는 사각 빔이나 플라즈마를 실시간 관측하기 위한 모니터링 시스템을 설계하였다. 본 연구에서 제안하는 레이저 충격 피닝용 줌 균질기는 물 분사형 방식이므로, 노즐 내부 물의 유동이 층류가 되도록 노즐을 설계하였다. 끝으로 본 연구에서는 지금까지 설계한 줌 균질기의 최종 도면을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Abstract (Korean) iv
• Contents vii
• List of Figures ix
• List of Tables xiii
• I. Introduction 1
• 1. Laser Shock Peening 1
• 2. Uniform beam 3
• 3. Square-shaped beam 6
• 4. Square-shaped beam homogenizer 9
• II. Working Distance of the Beam Homogenizer for the LSP 14
• 1. Introduction 14
• 2. Depth of focus for the LSP (LSP-DOF) 16
• 2.1 Illumination Simulation 16
• 2.2 Simulation method 18
• 2.3 Effect of parameters of the beam homogenizer 22
• 3. Depth of uniformity / Working distance for the LSP (LSP-DOU / LSP-WD) 31
• 3.1 Diffraction Simulation 31
• 3.2 Simulation method 32
• 3.3 Effect of parameters of the beam homogenizer 36
• III. Thin Lens Design of the Zoom Homogenizer 44
• 1. Introduction 44
• 2. Thin lens design method 46
• 2.1 Equivalent focal length 46
• 2.2 Lens system matrix 50
• 3. Design example 51
• 4. Discussion 55
• IV. Design of the Zoom Homogenizer for the LSP 58
• 1. Introduction 58
• 2. Thin lens design of zoom homogenizer for LSP 58
• 3. Zoom homogenizer for LSP 60
• 3.1 Thick lens design 61
• 3.2 Damage analysis of coatings 67
• 3.3 Plasma breakdown analysis 69
• 3.4 LSP-WD 73
• 4. LSP monitoring system 76
• 4.1 Configuration 76
• 4.2 Infinity-corrected system and defocus 78
• 5. Nozzle system 81
• 6. Conclusion 84
• Reference 88

참고문헌 (Reference)

1 송재우, "Hydraulics (in Korean), 3rd ed", (구미서관, 2012