CN102012552B - 多窗口多波长激光器光路自动调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于多波长激光器系统光路转换领域，由激光源系统、自动换镜系统、导光系统、平移台系统和控制系统组成。其特征部分自动换镜系统是由光学镜片支架、支架固定圆柱体台、步进电机、光具座和全反镜组成。光学镜片支架上由三个镜片支架杆L、M、N组成，长支架杆L和N的长度分别是短支架杆M的2倍，短支架杆M的长度等于两个相临激光输出窗口的距离，其中长杆L与短杆M的一端固定于支架固定圆柱体台上，其成长杆L与短杆M的轴线成150弧度，长杆N的中部固定与短杆M的另一端部，长杆N与短杆M轴线相互垂直。本发明针对不同的薄膜系统的划痕激光的波长及其光路系统的自动切换与选择，以得到不同波长激光在试件表面形成的冲击划痕效果。

Description

多窗口多波长激光器光路自动调节系统

技术领域

本发明涉及多波长激光器系统波长转换领域，特指一种外围带有自动换镜系统的多波长的激光器系统。

技术背景

薄膜技术是提高材料表面性能的重要手段，其用极少量的材料赋予零件和构件表面耐磨、耐腐蚀、耐热、耐疲劳、耐辐射以及光、热、电、磁等特殊性能，起到大量昂贵的整体材料所难以起到的作用，大量节约资源和能源，可充分发挥基体材料和薄膜材料的潜能，降低生产成本。薄膜技术已广泛用于航空航天、机械工程、电子技术、光学工程及计算机科学等各个领域。

随着薄膜技术的应用，对其可靠性和使用寿命的要求越来越高，膜基结合性能在很大程度上决定了薄膜应用的可靠性和和使用寿命，是得以发挥薄膜作用的基本条件，也是薄膜制造过程中普遍关心的问题。膜基结合性能是影响表面膜质量的首要指标，是表面工程技术和界面科学中极为重要的一个力学性能参量。

检测界面结合性能的方法有激光划痕法、划痕法、直接剥离法、压痕法、弯曲法、冲击法、拉伸法等多种。但每种方法在测量技术和力学计算上有其局限性和尚待解决的问题，直接定量测定界面结合性能至今仍然是困绕世界各国科学家的难题。

中国发明专利号ZL02138511.4和ZL02138512.2公开了检测界面结合强度的准静态和远紫外激光划痕测量方法及装置，能量连续增加的长脉冲(连续波)红外激光和远紫外激光直接辐射薄膜试样表面，同时试件作进给运动，从而在薄膜表面产生划痕，用薄膜-基体界面处剥落所对应的激光能量、结合膜基材料物性参数和划痕工艺参数来表征膜基体界面的结合强度。该方法具有非接触测量、影响测量结果的因素简洁、精确控制、便于实现测量自动化等优势，是具有广阔工程应用前景的界面结合性能检测新技术。

但上述技术中的加载方式提供一种波长，因而其仅适用于对该波长吸收率较高的薄膜系统，难以广泛用于各种不同薄膜系统的加载；另一方面，连续热加载往往因为热效应而烧蚀薄膜，难以实现对薄膜的准静态加载破坏，寻求新的加载技术是界面结合性能因此激光划痕检测的关键和难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种多波长可切换的激光划痕加载技术。具体地讲，涉及一种具有三窗口输出波长激光器的外光路系统，实现针对不同的薄膜系统的划痕激光的波长及其光路系统的自动切换与选择，以得到不同波长激光在试件表面形成的冲击划痕效果，从而适用于各种硬质工具膜、装饰功能膜、复合材料以及其它类型薄膜的界面工程结合强度检测中的激光的划痕。

本发明是由激光源系统、自动换镜系统、导光系统、平移台系统和控制系统组成。

激光源系统是一种有三个输出窗口激光器，本实施例中是一种电光调Q脉冲Nd:YAG固体激光器，三个窗口分别对应1064nm、532nm、355nm或266nm波长的输出。

自动换镜系统是由光学镜片支架、支架固定圆柱体台、步进电机、光具座和三个不同波长的全反镜组成。步进电机固定在光具座上，支架固定圆柱体台固定于步进电机上，并能随步进电机转动。光学镜片支架固定于支架固定圆柱体台上并能随支架固定圆柱体台转动，光学镜片支架上由三个镜片支架杆(L、M、N)组成，长支架杆L和N的长度是短支架杆M的2倍，短支架杆的长度等于两个相邻激光输出窗口的距离，长杆L与短杆M的一端固定于支架固定圆柱体台上，其成长杆L与短杆M轴线成150弧度，长杆N的中部固定于短杆M的另一端部。长杆N与短杆M的轴线相互垂直。镜片的安装时平面与镜片所安装的杆的轴线方向成45弧度，可根据实现要求使镜片沿着杆轴线方向转动。三个不同的激光窗口对应输出不同的激光波长输出，本实施例中355nm和266nm波长的激光共用一个窗口输出。本发明的目的是要求无论从哪个窗口输出激光，都需要按相同的光路方向传播，因此只有通过与窗口位置对应的全反射镜来偏转激光的方向。所以，当激光的输出窗口发生改变时，既激光输出的位置发生了改变，为了使激光按照相同的光路传播，其相应的全反射镜也需要在一个合适的位置来偏转激光方向。

导光系统由第一全反射镜、第一镜片支架、第二全反镜、第二镜片支架、汇聚透镜、水平一维电控平移台、竖直一维电控平移台及平移台支撑架组成。其中第一全反射镜及其支架直接放置在试验台上，第二全反射镜及其支架固定在水平一维平移台的工作台面上。汇聚透镜及其支架固定在竖直一维平移台的工作台面上，并且，竖直一维平移台又整体固定在水平一维平移台的工作台的侧边，这样，当水平一维平移台的工作台作水平移动时，第二全反射镜和竖直一维平移台同时运动，保证了第二全反射镜始终与汇聚透镜对齐。

平移台系统是由二维平移台组成。该二维平移台直接放置在汇聚透镜的正下方。通过汇聚透镜的激光就会直接作用到该平移台的工作台面上。二维平移台在电脑的控制下作X方向和Y方向的运动，这个运动可以是匀速运动，可以是变速运动，也可以是直线插补运动，还可以是圆弧插补运动。

控制系统由控制软件、工控机等组成。工控机通过专门编写的控制软件对整个系统进行控制，包括对激光器的控制、自动换镜系统的控制、水平一维平移台、竖直一维平移台和二维平移台的控制。

本发明的有益效果：对于多波长的脉冲激光冲击加载系统中，其自动换镜系统大大简化了人工操作过程，解决了人们为了使输出的激光能达到从相同的光路传播的目的，靠人工手动来改变全反射镜的位置，不仅费时费力，操作不方便，而且对于每改变一个位置，都需要重新校准。本自动换镜系统解决了人工换镜时的不足。

附图说明

图1：是本发明装置1064nm波长激光输出的位置示意图。

图2：是本发明装置532nm波长的激光输出的位置示意图。

图3：是本发明装置322nm(或266nm)波长激光输出的位置示意图。

图4：自动换镜装置的1064nm波长输出时平面示意图。

图5：自动换镜装置的532nm波长输出时平面示意图。

图6：自动换镜装置的355nm或266nm波长输出时平面示意图。

图7：自动换镜装置立体示意图。

图8：自动换镜装置结构的正视图。

图9：自动换镜装置结构的侧视图。

图10：自动换镜装置结构的俯视图。

图中，1：激光器，2：光学镜片支架，3：533nm波长激光全反射镜，4：1064nm波长激光全反射镜，5：355nm和266nm波长激光全反射镜，6：支架固定圆柱体台，7：步进电机，8：光具座，9：第一全反射镜，10：第一镜片支架，11：第二全反射镜，12：第二镜片支架，13：第一工作台，14：第二工作台，15：汇聚透镜，16：水平一维平移台，17：竖直一维平移台，18：平移台支撑架，19：试件，20：二维平移台，21：工控机，22：R232串口线，a：355和266nm激光输出窗口，b：532激光突出窗口，c：1024激光输出窗口。

具体实施方式

为便于说明本发明，以下实施方式以一种电光调Q脉冲Nd:YAG固体激光器，三个窗口分别对应1064nm、532nm、355nm或266nm波长的输出。其中355nm与266nm共用一个窗口。

实施方案一

如图1是本发明系统1064nm波长激光输出及划痕装置实施示意图。图4为自动换镜装置的1064nm波长输出时平面示意图。激光器1在工控机21的控制下从激光窗口c输出1064nm波长的激光，与其对应的全反射镜4由自动换镜装置自动旋转到一个对应的位置来改变该激光的输出方向。通过工控机21对步进电机7的控制来旋转支架固定圆柱体台6，带动固定其上的光学镜片支架2转动，光学镜片支架2上又固定了上述的3个全反射镜。然后，经过光学镜片支架2上的全反射镜4反射出的激光到达全反射镜9，再次改变激光的输出方向，到达全反射镜11的镜面上。全反射镜11及其镜片支架12一起固定在放置于平移台支撑架18的水平一维平移台16的工作台面13上。然后，经过全反射镜11的激光束偏转方向转为垂直向下，直接到达了汇聚透镜15镜面上，然后经过汇聚透镜15的汇聚作用，使激光束在试件表面18汇聚成一个很小的斑点。二维平移台20在工控机21的控制下，按照要求作X方向和Y方向运动，这样就带动放置于二维平移台20上的试件19运动，从而形成对试件19的激光划痕。由于脉冲激光发一次脉冲束时，在工件表面形成的冲击痕迹是一个小斑点，所以为了得到不同效果的冲击划痕，可以通过工控机21对激光器1的输出频率、水平方向的一维平移台16、竖直一维平移台17和二维平移台20的综合控制来实现。例如：在冲击划痕过程中，为得到一条致密的划痕，通过控制激光器1将激光输出频率增大，从而在单位时间内输出的脉冲激光数就会增多，同时控制二维平移台20工作台的移动速度即可。

如在冲击划痕过程中，为了得到一条宽度不等的划痕，可以通过调节作用在工件19表面的脉冲激光光斑来实现，实现过程是工控机21对竖直一维平移台17的控制下，改变汇聚透镜15与试件19之间的距离。由于脉冲激光经过汇聚透镜15后汇聚的焦点位置是一定的，当这个焦点位置刚好落在二维平移台的工作台面上，则此时在试件19表面形成的冲击斑点最小，如果将汇聚透镜15在工控机21的控制下沿垂直方向上升或下降一段距离，则在试件19表面形成的斑点就会增大，从而在试件19表面得到宽度不同的冲击划痕效果。

实施方案二

如图2是本发明系统的一种533nm波长激光输出及划痕装置实施示意图。图5为自动换镜装置的532nm波长输出时平面示意图。与实施方案一不同之处是由于533nm波长的脉冲激光是从激光器1的b窗口输出，所以这就需要工控机21控制自动换镜系统的全反射镜3转动到激光器1的b窗口输出位置来偏转该脉冲激光。其他的具体的实施过程与具体实施方案一基本相同。具体实施过程可以参照实施方案一。

实施方案三

如图3是本发明系统322nm(或266nm)波长激光的输出及划痕装置的实施示意图。图6为自动换镜装置的355nm或266nm波长输出时平面示意图。与实施方案一不同之处是由于322nm(或266nm)波长的脉冲激光都是从激光器1的a窗口输出的，所以这就需要工控机21控制自动换镜系统的全反射镜5转动到激光器1的a窗口的输出位置来偏转该脉冲激光。其他的具体的实施过程与具体实施方案一基本相同。具体实施过程可以参照实施方案一。

Claims (3)

1.一种多窗口多波长激光器光路自动调节系统，其特征在于：所述的多窗口多波长激光器光路自动调节系统由激光源系统、自动换镜系统、导光系统、平移台系统和控制系统组成，所述的自动换镜系统是由光学镜片支架(2)、支架固定圆柱体台(6)、步进电机(7)、光具座(8)和反射不同波长的光的全反镜组成，步进电机(7)固定在光具座(8)上，支架固定圆柱体台(6)固定于步进电机(7)上并能随步进电机(7)转动，光学镜片支架(2)固定于支架固定圆柱体台(6)上并能随支架固定圆柱体台(6)转动，光学镜片支架(2)由三个镜片支架杆(L、M、N)组成，两个长支架杆(L，N)的长度分别是短支架杆(M)的2倍，短支架杆(M)的长度等于两个相临激光输出窗口的距离，其中第一长支架杆(L)与短支架杆(M)的一端固定于支架固定圆柱体台(6)上，其中第一长支架杆(L)与短支架杆(M)的轴线的角度为150弧度，第二长支架杆(N)的中部固定于短支架杆(M)的另一端部，第二长支架杆(N)与短支架杆(M)轴线相互垂直，全反镜所反射的光的波长与激光器的波长一一对应；所述的导光系统由第一全反射镜(9)、第一镜片支架(10)、第二全反射镜(11)、第二镜片支架(12)、汇聚透镜(15)、水平一维电控平移台(16)、竖直一维电控平移台(17)和平移台支撑架(18)组成，第一全反射镜(9)通过第一镜片支架(10)直接放置在试验台上，第二全反射镜(11)固定在水平一维电控平移台(16)的工作台面上，汇聚透镜(15)固定在竖直一维电控平移台(17)的工作台面上，竖直一维电控平移台(17)整体固定在水平一维电控平移台(16)的工作台的侧边，当水平放一维电控平移台(16)的工作台作水平移动时，第二全反射镜(11)和竖直一维电控平移台(17)同时运动，保证了第二全反射镜(11)始终与汇聚透镜(15)对齐；所述的平移台系统为由二维平移台(20)组成，该二维平移台(20)直接放置在汇聚透镜(15)的正下方，通过汇聚透镜(15)的激光就会直接作用到该二维平移台(20)的工作台面上，二维平移台(20)能作X方向和Y方向的运动，运动为匀速运动、变速运动、直线插补运动或圆弧插补运动；所述的控制系统包括控制软件和工控机(21)，工控机(21)通过控制软件对激光器(1)、自动换镜系统、水平一维电控平移台(16)、竖直一维电控平移台(17)和二维平移台(20)进行控制。

2.如权利要求1所述的自动调节系统，其特征在于：全反镜安装时镜面与镜片所安装的支架杆的轴线方向成45弧度，全反镜能沿着支架杆轴线方向转动。

3.如权利要求1所述的自动调节系统，其特征在于：所述的激光源系统是一种三窗口四波长输出的激光器。

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