CN105509939A - 一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法。该装置结构包括马赫-曾德尔干涉仪、高速相机和计算机。马赫-曾德尔干涉仪比迈克尔逊干涉仪用于本装置中更具优势，激光不会沿原光路返回而影响实时测量精度，得到的干涉图样清晰。高速相机具有10000帧/s以上的响应速度，对ms脉冲激光器引起的应变具有切片观察的效果。实时检测并计算激光损伤非透明材料的应力。由于参考目标物和目标物形同，节省了成本，适用于非透明材料的应力检测。采用DG535脉冲触发器控制延时，达到延时的准确性。通过计算机对得到的干涉图样的处理可得到脉冲激光作用时间内目标物的应力变化曲线。
Description
技术领域
本发明涉及一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法，属于激光应用技术领域。
背景技术
激光作用材料过程中，材料吸收激光能量导致温度升高，进而在激光作用材料区域及其附近形成温度梯度和热应力应变。目前，材料中残余应力检测无损方法主要是X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声法以及压痕应变法等。射线法理论完善，但因有射线伤害和仅能测定表面应力使其应用受到很大限制；磁性法根据铁磁体磁饱和过程中应力与磁化曲线之间的变化关系进行测定，在一定范围内适用；压痕应变法采用电阻应变片作为测量用敏感元件，在应变中心部位采用冲击加载制造压痕以代替钻孔，通过应变仪记录压痕区外弹性区应变增量的变化，从而获得对应于残余应力大小的真实弹性应变，求出残余应力的大小。但是，射线法直接对待损伤材料表面造成伤害；而铁磁体需装到材料表面才能测量到激光作用表面浅层应力，会遮挡了激光光路；压痕应变法需要紧贴在材料背面，当激光作用过程中材料表面应变太小，导致测量误差大。同时，这些方法很难快速响应亚ms量级以上的应力应变演化。因此，满足不了激光作用材料过程中应力应变演化过程的测量。
光学干涉计量在材料微小形变检测、光学介质的折射率测量以及光学波前检测等方面有着广泛应用，如利用干涉仪检测光学加工中镜面平行度和粗糙度等。它们通常利用光线穿透介质，计算光程差获得该透明介质的内部结构和表面结构信息；但是，没有利用干涉仪检测表面微结构变化引起反射光线的光程变化，获得内部应力导致的表面结构变化及其表面结构本身变化的信息。
发明内容
为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法，实现非透明目标在线应力的测试。针对大功率固体激光器与非透明介质的相互作用，采用马赫-曾德尔干涉的方法，得到非透明介质损伤的干涉条纹；计算应变和应力值。
本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置包括窄线宽半导体激光器，第一分光镜，参考目标物，第二分光镜，第一凸透镜，干涉滤光片，高速相机，计算机，DG535脉冲触发器，固体脉冲激光器，能量调节系统，第二凸透镜；所述的第一分光镜、第二分光镜相同，均为对45°入射的窄线宽半导体激光半反半透的分光镜，大功率固体激光器为激光光源，窄线宽半导体激光器为干涉光源，能量调节系统为一对损伤阈值大于500MW/cm2的格兰激光棱镜，外套一个光垃圾圆筒防止垂直光路方向的激光逃逸危险，其中的第一个棱镜将激光调制为水平方向线偏振，其中的第二个棱镜偏振轴可在光束横截面内旋转，以便激光强度可连续衰减；DG535脉冲触发器与高速相机连接，DG535脉冲触发器用于接收大功率固体激光器发出的高能量脉冲激光预发射时间信号，给高速相机发出与大功率固体激光器发射激光同步的工作指令，高速相机接收到干涉光源形成的干涉信息后转移到计算机进行处理，计算机中存储和运行计算光程差、应力值的软件程序、描绘应力演变过程的变化曲线的商用origin软件程序；
特别要强调的是：所述的参考目标物作为反射镜使用，而且，参考目标物和目标物相同，两者分别用可调式底片固定架装卸，该固定架的一边位置固定，另一边可调，两个目标物前表面均用限位钉限制位置，方便参考目标物和目标物的装卸，且保证等光程；
所述的窄线宽半导体激光器发出的激光通过第一分光镜分光，其中的第一路光作为参考臂光，其中的第二路光作为测量臂光，参考臂光反射到参考目标物，再反射到第二分光镜并再次被反射到第一凸透镜；
固体脉冲激光器发出的激光经过能量调节系统和第二凸透镜汇聚，照射到目标物上，同时，测量臂光也照射到目标物表面上，并被目标物的表面反射，再经第二分光镜透射，测量臂光和参考臂光同时经第一凸透镜聚集，再经干涉滤光片，干涉滤光片滤除固体脉冲激光器发射的激光在此光路上形成的干扰光，最后在高速相机位置形成清晰的干涉图，最后所有数据汇总到计算机上处理并保存；所述的高速相机与固体脉冲激光器同步触发。
所以用参考目标物作参考目标，是为了使所述的参考臂光和测量臂光等光强。这是本发明的技术方案中至关重要的一点；
所述的窄线宽半导体激光器的波长优选为532nm,线宽小于或等于0.7nm,高速相机的帧频等于或大于10000帧/s，每1ms脉冲可以采集10帧激光实时作用产生的干涉条纹，可以形成瞬态探测与记录，由于应变在激光停止作用后仍然有演化，因此高速相机继续探测，直至恢复到初始时刻的干涉条纹形式。
本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的方法，步骤和条件如下：
（1）制备一对厚度为0.4mm,边长为12mm的单晶硅样品，分别为目标物和参考目标物，可保持实验目标与参考目标有相同的反射率以及光强。要求表面光滑，表面粗糙度不大于0.4μm，分别安装到可调式底片固定架上；
（2）打开计算机和高速相机，设置高速相机的自动采集，在计算机显示屏上显示其灰度界面；
（3）开启窄线宽半导体激光器，调节电流值，以便高速相机探测到清晰的干涉图；
（4）固体脉冲激光器分别采用的脉宽为1ms，能量分别为1J，通过干涉条纹的变化可知不同能量不同脉宽的应力的大小；
（5）设置高速相机的触发方式为外触发；
（6）打开DG535脉冲触发器，设置固体脉冲激光器预触发时间和高速相机的触发脉冲延迟时间；
（7）打开固体脉冲激光器的辐射激光按钮，激光在1s钟后辐射，同时，高速相机接收一个激光脉冲内的干涉演变图像；
通过对高速相机上每一帧干涉条纹的变化，用计算机处理，对高速相机上每一帧干涉条纹带入公式
及公式
计算得出非透明介质的光程差。
公式（1）适合于出现大的熔融区时的等厚干涉条纹在激光损伤材质表面过程中，未出现大的熔融区时以公式（1）进行计算，公式（1）中N为这条曲线越过的条纹整数，为这条曲线越过的条纹小数。
公式（2）适合于等倾干涉条纹，公式（2）中为入射角，d为厚度，k为干涉条纹级序，为波长。
对中心点，为计算简便考虑光程差投影在x,y方向相等的情况，直角坐标系x、y和z三方向的应变值为：
利用广义胡克（Hooke）定律，硅晶体是金刚石结构，根据晶体物理学相关知识，利用金刚石结构的对称关系，当选择三个坐标轴x，y，z方向与晶体的[100],[010],[001]方向一致时，单晶硅任意一点的应力和应变之间满足的本构方程可以写成如下形式，
其中、、分别为x、y、z方向上的应力值,为应变，C11、C12、C44为弹性系数，C11=165.7GPa、C12=63.9GPa、C44=76.9GPa。将应变值、、带入上述公式，计算得到结果。
计算得到的应力值通过商用origin软件描绘出应力演变过程的变化曲线。
测试装置原理为：在光路中加入两个相同的对入射激光高透、对可见光高反的第一分光镜2、第二分光镜5。为了避免使相机遭到激光损伤，在高速相机8前加干涉滤光片7，滤掉残余的反射激光，同时衰减到达高速相机8的背光强度，以防高速相机8饱和而不能正常拍摄损伤形貌。利用高速相机8与固体脉冲激光器11同步触发，从而获得实时的损伤形貌，为应力应变损伤机理的研究提供实时损伤数据。同时，利用高速相机8和干涉滤光片7，将目标物4表面的形变转换为干涉条纹的变化，进而将干涉条纹结果换算得到应变值。
有益效果：本发明提供一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法。本发明利用马赫—曾德尔干涉仪、高速相机和计算机处理，研制一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置。该装置中马赫—曾德尔干涉仪是一种用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器，与迈克尔逊干涉仪相比优势在于激光不会沿原光路返回影响实时测量精度，使得得到的干涉图样清晰明了。高速相机具有10000帧/s以上的响应速度，对ms脉冲激光器引起的应变具有切片观察的效果，实时检测并计算激光损伤非透明材料的应力。由于参考目标物和目标物形同，节省了成本低，适用于非透明材料的应力检测。采用DG535脉冲触发器控制延时，达到延时的准确性。通过计算机对得到的干涉图样的处理可得到脉冲激光作用时间内目标物的应力变化曲线。
附图说明
图1为本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置结构示意图。
图2-图13为分别使用本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置测试单晶硅应力干涉图样的变化图。
图14为对应干涉图样中第Ⅰ条线应力变化图。
图15为对应干涉图样中第Ⅱ条线应力变化图。
图16为对应干涉图样中第Ⅲ条线应力变化图。
图17为应力值计算流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置包括窄线宽半导体激光器1，第一分光镜2，参考目标物3，第二分光镜5，第一凸透镜6，干涉滤光片7，高速相机8，计算机9，DG535脉冲触发器10，固体脉冲激光器11，能量调节系统12，第二凸透镜13；所述的第一分光镜2、第二分光镜5相同，均为对45°入射的窄线宽半导体激光半反半透的分光镜，大功率固体激光器11为损伤非透明材料的激光光源，窄线宽半导体激光器1为干涉光源，能量调节系统12为一对损伤阈值大于500MW/cm2的格兰激光棱镜，外套一个光垃圾圆筒防止垂直光路方向的激光逃逸危险，其中的第一个棱镜将激光调制为水平方向线偏振，其中的第二个棱镜偏振轴可在光束横截面内旋转，以便激光强度可连续衰减；DG535脉冲触发器10与高速相机8连接，DG535脉冲触发器10用于接收大功率固体激光器11发出的高能量脉冲激光预发射时间信号，给高速相机8发出与大功率固体激光器11发射激光同步的工作指令，高速相机8接收到干涉光源1形成的干涉信息后转移到计算机9进行处理，计算机9中存储和运行计算光程差、应力值的软件程序、描绘应力演变过程的变化曲线的商用origin软件程序；
特别要强调的是：所述的参考目标物3作为反射镜使用，而且，参考目标物3和目标物4相同，两者分别用可调式底片固定架装卸，该固定架的一边位置固定，另一边可调，两个目标物前表面均用限位钉限制位置，方便参考目标物3和目标物4的装卸，且保证等光程；
所述的窄线宽半导体激光器1发出的激光通过第一分光镜2分光，其中的第一路光作为参考臂光，其中的第二路光作为测量臂光，参考臂光反射到参考目标物3，再反射到第二分光镜5并再次被反射到第一凸透镜6；；
固体脉冲激光器11发出的激光经过能量调节系统12和第二凸透镜13汇聚，照射到目标物4上，同时，测量臂光也照射到目标物4表面上，并被目标物4的表面反射，再经第二分光镜5透射，测量臂光和参考臂光同时经第一凸透镜6聚集，再经干涉滤光片7，干涉滤光片7滤除固体脉冲激光器11发射的激光在此光路上形成的干扰光，在高速相机8位置形成清晰的干涉图，最后所有数据汇总到计算机9上处理并保存；所述的高速相机8与固体脉冲激光器11同步触发。
所以用参考目标物3作参考目标，是为了使所述的参考臂光和测量臂光等光强。这是本发明的技术方案中至关重要的一点；
本实施例所述的窄线宽半导体激光器1的波长为532nm,线宽小于或等于0.7nm,高速相机8的帧频等于或大于10000帧/s，每1ms脉冲可以采集10帧激光实时作用产生的干涉条纹，可以形成瞬态探测与记录，由于应变在激光停止作用后仍然有演化，因此高速相机8继续探测，直至恢复到初始时刻的干涉条纹形式。
本发明提供的一种实时瞬态检测激光损伤非透明材料的应力的方法，步骤和条件如下：
（1）制备一对厚度为0.4mm,边长为12mm的单晶硅样品，分别为目标物4和参考目标物3，可保持实验目标与参考目标有相同的反射率以及光强。要求表面光滑，表面粗糙度不大于0.4μm，分别安装到可调式底片固定架上；
（2）打开计算机9和高速相机8，设置高速相机8的自动采集，在计算机9显示屏上显示其灰度界面；
（3）开启窄线宽半导体激光器1，调节电流值，以便高速相机8探测到清晰的干涉图；
（4）固体脉冲激光器11采用的脉宽为1ms，能量分别为1J，通过干涉条纹的变化可知不同能量不同脉宽的应力的大小；
（5）设置高速相机8的触发方式为外触发；
（6）打开DG535脉冲触发器10，设置固体脉冲激光器11预触发时间和高速相机8的触发脉冲延迟时间；
（7）打开固体脉冲激光器11的辐射激光按钮，激光在1s钟后辐射，同时，高速相机8接收一个激光脉冲内的干涉演变图像；
通过对高速相机8上每一帧干涉条纹的变化，用计算机9处理，对高速相机8上每一帧干涉条纹带入公式
及公式
计算得出非透明介质的光程差。
公式（1）适合于等厚干涉条纹在激光损伤材质表面过程中，未出现大的熔融区时以公式（1）进行计算。公式（1）中N为这条曲线越过的条纹整数，为这条曲线越过的条纹小数。本实施例中标注的衍射条纹的中心第一条线Ⅰ，中心第二条线Ⅱ，中心第三条线Ⅲ满足公式（1）的条件，采用公式（1）计算。
公式（2）适合于出现大的熔融区时的等倾干涉条纹，公式（2）中为入射角，d为厚度，k为干涉条纹级序，为波长。
对中心点，为计算简便考虑光程差投影在x,y方向相等的情况，直角坐标系x、y和z三方向的应变值为：
利用广义胡克（Hooke）定律，硅晶体是金刚石结构，根据晶体物理学相关知识，利用金刚石结构的对称关系，当选择三个坐标轴x，y，z方向与晶体的[100],[010],[001]方向一致时，单晶硅任意一点的应力和应变之间满足的本构方程可以写成如下形式，
其中分别为x、y、z方向上的应力值,为应变，C11、C12、C44为弹性系数，C11=165.7GPa、C12=63.9GPa、C44=76.9GPa。将应变值带入上述公式，计算得到如图2-图13所示的结果。图2-图13的衍射条纹的中心第一条线标号为Ⅰ，中心第二条线标号为Ⅱ，中心第三条线标号为Ⅲ。
计算机9中的计算计算光程差、应力值的程序流程图如图17所示：
进行步骤100，开始；
进行步骤105，利用开源软件FreeⅠmage读取干涉图灰度值；
进行步骤110，选取t=0,t＞0时的待计算的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ干涉条纹所占像素点位置，获得变化的干涉条纹数量；
进行步骤115，利用公式1和公式2计算计算光程差；
进行步骤120，利用公式3计算计算应力值；
进行步骤125，利用商用软件ComsolMultiphysics数值仿真计算功能，模拟出大致的应力值，以此判断与分析测量应力值的可靠性；
进行步骤130，利用商用软件Origin绘制应力变化图；
进行步骤135，结束。
计算得到的应力值通过商用origin软件描绘出应力演变过程的变化曲线（见图14-16）。
测试装置原理为：在光路中加入两个相同的对入射激光高透、对可见光高反的第一分光镜2、第二分光镜5。为了避免使相机遭到激光损伤，在高速相机8前加干涉滤光片7，滤掉残余的反射激光，同时衰减到达高速相机8的背光强度，以防高速相机8饱和而不能正常拍摄损伤形貌。利用高速相机8与固体脉冲激光器11同步触发，从而获得实时的损伤形貌，为应力应变损伤机理的研究提供实时损伤数据。同时，利用高速相机8和干涉滤光片7，将目标物4表面的形变转换为干涉条纹的变化，进而将干涉条纹结果换算得到应变值。
Claims (3)
1.一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置，其特征在于，包括窄线宽半导体激光器（1），第一分光镜（2），参考目标物（3），第二分光镜（5），第一凸透镜（6），干涉滤光片（7），高速相机（8），计算机（9），DG535脉冲触发器（10），固体脉冲激光器（11），能量调节系统（12），第二凸透镜（13）；所述的第一分光镜（2）、第二分光镜（5）相同，均为对45°入射的窄线宽半导体激光半反半透的分光镜，大功率固体激光器（11）为损伤非透明材料的激光光源，窄线宽半导体激光器（1）为干涉光源，能量调节系统（12）为一对损伤阈值大于500MW/cm2的格兰激光棱镜，外套一个光垃圾圆筒防止垂直光路方向的激光逃逸危险，其中的第一个棱镜将激光调制为水平方向线偏振，其中的第二个棱镜偏振轴可在光束横截面内旋转，以便激光强度可连续衰减；DG535脉冲触发器（10）与高速相机（8）连接，DG535脉冲触发器（10）用于接收大功率固体激光器（11）发出的高能量脉冲激光预发射时间信号，给高速相机（8）发出与大功率固体激光器（11）发射激光同步的工作指令，高速相机（8）接收到干涉光源（1）形成的干涉信息后转移到计算机（9）进行处理，计算机（9）中存储和运行计算光程差、应力值的软件程序、描绘应力演变过程的变化曲线的商用origin软件程序；
所述的参考目标物（3）作为反射镜使用，而且，参考目标物（3）和目标物（4）相同，两者分别用可调式底片固定架装卸，该固定架的一边位置固定，另一边可调，两个目标物前表面均用限位钉限制位置，方便参考目标物（3）和目标物（4）的装卸，且保证等光程；
所述的窄线宽半导体激光器（1）发出的激光通过第一分光镜（2）分光，其中的第一路光作为参考臂光，其中的第二路光作为测量臂光，参考臂光反射到参考目标物(3)，再反射到第二分光镜(5)并再次被反射到第一凸透镜(6)；
固体脉冲激光器(11)发出的激光经过能量调节系统(12)和第二凸透镜(13)汇聚，照射到目标物(4)上，同时，测量臂光也照射到目标物(4)表面上，并被目标(4)的表面反射，再经第二分光镜(5)透射，测量臂光和参考臂光同时经第一凸透镜(6)聚集，再经干涉滤光片(7)，干涉滤光片(7)滤除固体脉冲激光器(11)发射的激光在此光路上形成的干扰光，在高速相机(8)位置形成清晰的干涉图，最后所有数据汇总到计算机(9)上处理并保存；所述的高速相机(8)与固体脉冲激光器(11)同步触发。
2.如权利要求1所述的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置，其特征在于，所述的窄线宽半导体激光器（1）的波长为532nm,线宽小于或等于0.7nm,高速相机8的帧频等于或大于10000帧/s。
3.如权利要求1所述的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置，其特征在于，使用其检测的方法的步骤和条件如下：
a.制备一对厚度为0.4mm,边长为12mm的样品，分别为目标物(4)和参考目标物(3)，可保持实验目标与参考目标有相同的反射率以及光强，要求表面光滑，表面粗糙度不大于0.4μm，分别安装到可调式底片固定架上；
b.打开计算机(9)和高速相机(8)，设置高速相机(8)的自动采集，在计算机(9)显示屏上显示其灰度界面；
c.开启窄线宽半导体激光器(1)，调节电流值，以便高速相机(8)探测到清晰的干涉图；
d.固体脉冲激光器(11)分别采用的脉宽为1ms，能量分别为1J，通过干涉条纹的变化可知不同能量不同脉宽的应力的大小；
e.设置高速相机(8)的触发方式为外触发；
f.打开DG535脉冲触发器(10)，设置固体脉冲激光器(11)预触发时间和高速相机(8)的触发脉冲延迟时间；
g.打开固体脉冲激光器(11)的辐射激光按钮，激光在1s钟后辐射，同时，高速相机(8)接收一个激光脉冲内的干涉演变图像；
通过对高速相机(8)上每一帧干涉条纹的变化，用计算机(9)处理，对高速相机(8)上每一帧干涉条纹带入公式
及公式
计算得出非透明介质的光程差；公式（1）适合于等厚干涉条纹在激光损伤材质表面过程中，未出现大的熔融区时以公式（1）进行计算,公式（1）中N为这条曲线越过的条纹整数，为这条曲线越过的条纹小数;
公式（2）适合于出现大的熔融区时的等倾干涉条纹，公式（2）中为入射角，d为厚度，k为干涉条纹级序，为波长；对中心点，为计算简便考虑光程差投影在x,y方向相等的情况，直角坐标系x、y和z三方向的应变值为：
利用广义胡克（Hooke）定律，硅晶体是金刚石结构，根据晶体物理学相关知识，利用金刚石结构的对称关系，当选择三个坐标轴x，y，z方向与晶体的[100],[010],[001]方向一致时，单晶硅任意一点的应力和应变之间满足的本构方程可以写成如下形式，
其中、、分别为x、y、z方向上的应力值,为应变，C11、C12、C44为弹性系数，C11=165.7GPa、C12=63.9GPa、C44=76.9GPa；将应变值、、带入上述公式，计算得到结果；
计算得到的应力值通过商用origin软件描绘出应力演变过程的变化曲线。
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