CN109443215A - 一种激光光斑尺寸的测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光光斑尺寸的测算方法，属于光学测量技术领域。该方法包括：用激光束辐照置于待测靶面位置的探测材料的表面得到第一烧蚀斑。改变辐照激光能量并于探测材料的表面获得除第一烧蚀斑以外的多个烧蚀斑以获得激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系。基于探测材料表面的烧蚀斑尺寸与辐照激光能量的理论关系式对所得的对应关系进行拟合，拟合曲线方程中代表ω的数据即为待测的激光光斑尺寸。该方法操作简单快捷，测量可靠，对测定条件要求较低，特别适用于短焦透镜聚焦下多种不同位置靶面激光光斑的测量。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，且特别涉及一种激光光斑尺寸的测算方法。
背景技术
激光光斑尺寸是标志激光器性能的重要参数，也是激光器在应用中的重要参量。在工业上的金属精加工，在医疗上的激光缝合技术，在军事上的激光定位等应用都要依靠调节激光光斑尺寸和能量参数。特别地，在工业上用激光对工件材料表面刻蚀、激光熔覆等材料加工应用时，通常需要采用短焦透镜对较高功率的激光束进行聚焦，且工件所在加工平面与聚焦透镜间距离经常变化，而两者相对位置的变化会导致激光光斑变化，不同尺寸的激光光斑对加工试样精度、形状及性能等产生较大影响。因此，对激光尺寸的精确测定非常有意义。
目前常用的激光光斑尺寸测量方法有CCD法和刀口法等。
CCD法，用线阵式CCD器件作为光探测器，通过对拍摄的光斑图像进行数据分析处理进而求出光斑尺寸。该方法虽然精度高，但对设备实验条件要求高，且该方法不适用于较高功率、短焦透镜聚焦激光光束光斑尺寸测量。
刀口法，在激光截面上，利用刀口以恒定移动速度扫描光斑，并由探测器测量激光经过刀口后的能量/功率，得到光能量/功率随位移变化的分布曲线，从而找到激光光斑尺寸。该方法需要精密电机驱动扫描，否则调整过程难度大，且较高功率密度强激光长时间辐照对刀刃易造成损伤而影响测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光光斑尺寸的测算方法，该方法操作简单快捷，测量可靠，对测定条件要求较低，特变适用于短焦透镜聚焦下多种不同位置靶面激光光斑的测量。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种激光光斑尺寸的测算方法，包括以下步骤：用激光束辐照置于待测靶面位置的探测材料的表面得到第一烧蚀斑。
改变辐照激光能量并于探测材料的表面获得除第一烧蚀斑以外的多个烧蚀斑以获得激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系。
基于探测材料表面的烧蚀斑尺寸与辐照激光能量的理论关系式对所得的对应关系进行拟合，拟合曲线方程中代表ω的数据即为待测的激光光斑尺寸。
进一步地，激光束为脉冲激光或可调制连续激光。
进一步地，激光束的激光波长为300-1200nm。
进一步地，探测材料为激光易烧蚀材料。
更进一步地，探测材料包括相纸、铝箔或铝反射镜。
进一步地，改变辐照激光能量是通过改变与辐照激光能量成线性比例关系的参数实现。
更进一步地，参数包括激光能量、激光脉冲持续时间或激光输入电流。
进一步地，拟合采用Matlab软件进行。
本申请提供的激光光斑尺寸的测算方法的有益效果包括：
本申请提供的激光光斑尺寸的测算方法是将探测材料直接放置在待测靶面位置，采用激光束在探测材料表面打出一个烧蚀斑，通过改变辐照激光能量，在材料表面获得不同尺寸大小的烧蚀斑。基于基横模激光光斑能量密度分布满足高斯分布及激光烧蚀斑最边缘处对应的能量密度与探测材料的烧蚀阈值对应，推导出激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量密度之间的关系式，进一步由辐照激光能量密度随辐照激光能量线性比例变化，推导出激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的关系式，并对测得的激光烧蚀斑尺寸与辐照激光之间的对应关系拟合出最优激光光斑尺寸，即为该靶面位置处的激光光斑尺寸。该方法操作简单快捷，测量可靠，对测定条件要求较低，特别适用于短透镜聚焦下多种不同位置靶面激光光斑的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1中相纸表面的激光烧蚀斑图像；
图2为本申请实施例1中激光烧蚀斑半径与辐照激光能量的实测对应关系及最优拟合曲线图像；
图3为本申请实施例2中相纸表面的激光烧蚀斑图像；
图4为本申请实施例2中激光烧蚀斑半径与辐照激光能量的实测对应关系及最优拟合曲线图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的激光光斑尺寸的测算方法进行具体说明。
本申请提供的激光光斑尺寸的测算方法包括以下步骤：用激光束辐照置于待测靶面位置的探测材料的表面得到第一烧蚀斑。
改变辐照激光能量并于探测材料的表面获得除第一烧蚀斑以外的多个烧蚀斑以获得激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系。
基于探测材料表面的烧蚀斑尺寸与辐照激光能量的理论关系式对所得的对应关系进行拟合，拟合曲线方程中代表ω的数据即为待测的激光光斑尺寸。
其中，第一烧蚀斑最边缘处所对应的激光能量密度与探测材料的烧蚀阈值对应，也即确保在改变辐照激光能量密度后能够在探测材料的表面成功获得多个不同尺寸的烧蚀斑。
在本申请中，激光束可以为脉冲激光或可调制连续激光。前者的脉冲工作方式为每隔一定时间工作一次，后者的激光输出时间上为连续的，且可实现固定时间长度的激光输出。
在本申请中，激光束的激光波长可以为300-1200nm，例如300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm或1200nm等，也可以为350nm、450nm、550nm、650nm、750nm、850nm、950nm、1050nm或1150nm等，还可以为300-1200nm范围内的任一波长值。
在一些实施方式中，激光束的激光波长为500-1200nm。在另一实施方式中，激光束的激光波长为800-1100nm。具体地，可根据所用的探测材料以及激光光源与探测材料之间的距离对激光束的激光波长进行调节。
较佳地，本申请中的探测材料为激光易烧蚀材料，以在短时间内实现激光对探测材料的烧蚀。
作为可选地，上述探测材料例如可以包括但不仅限于相纸、铝箔或铝反射镜等材料。
进一步地，当改变辐照激光能量后，根据激光能量的改变次数，激光束于探测材料表面形成与改变次数对应的新的多个烧蚀斑。
通过上述不同的辐照激光能量与其对应形成的烧蚀斑尺寸，得到二者之间的对应关系，例如可以以辐照激光能量为横坐标，以烧蚀斑半径为纵坐标获得多个离散点。
本申请中，改变辐照激光能量主要可通过改变与辐照激光能量成线性比例关系的参数实现。其中，相应的参数可包括但不仅限于激光能量、激光脉冲持续时间或激光输入电流。
进一步地，基于探测材料表面的烧蚀斑尺寸与辐照激光能量的理论关系式对上述所得的对应关系进行拟合，拟合所得的曲线方程中代表ω的数据即为待测的激光光斑尺寸。
其中，理论关系式主要基于基横模激光光斑能量密度分布满足高斯分布、烧蚀斑最边缘对应的激光能量密度与灵敏探测材料的烧蚀阈值对应以及辐照激光能量密度随辐照脉冲激光能量线性变化而得。
具体地，可参照：经透镜聚焦后的基横模激光光斑的能量密度在传输方向截面内服从高斯分布，其分布可表示为
式中，Fi为辐照激光中心处最大能量密度，J/mm2；
ri为辐照激光中某点所在同心圆半径，mm；
ω为辐照激光在靶面位置的光斑半径，mm；
激光作用下探测材料的烧蚀阈值为FA，在中心激光能量密度为Fi的激光辐照下，探测材料表面烧蚀斑半径(ri)可由下式计算：
式中，探测材料的烧蚀阈值FA和靶面位置的激光光斑半径ω不随激光中心能量密度的变化而变化，而辐照激光能量密度Fi随辐照脉冲激光能量Ei线性变化，因此可获得探测材料表面的烧蚀斑尺寸与辐照脉冲激光能量Ei的理论关系式：
式中，k为待定常数。因此通过对辐照激光能量与激光烧蚀斑之间的依赖关系进行数值拟合即可直接获得靶面处激光光斑尺寸。
作为可参考地，本申请中可采用Matlab软件对激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量密度之间的对应关系进行拟合。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
首先将相纸放置在待测靶面位置，然后用1064nm的脉冲激光束在相纸上打出一个烧蚀斑，如图1所示，烧蚀斑的最边缘对应的激光能量密度与相纸的烧蚀阈值相对应。
随后通过改变激光器输入电流，实现改变辐照脉冲激光能量，进而实现线性改变辐照激光能量密度，在相纸表面获得不同尺寸大小的烧蚀斑，即可获得激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系，如图2中方块点所示。
其中，辐照脉冲激光能量为1.31J时，烧蚀斑的半径为1.1mm；辐照脉冲激光能量为3.13J时，烧蚀斑的半径为1.6mm；辐照脉冲激光能量为5.25J时，烧蚀斑的半径为1.9mm；辐照脉冲激光能量为7.59J时，烧蚀斑的半径为2.0mm；辐照脉冲激光能量为10.64J时，烧蚀斑的半径为2.2mm。
然后基于基横模激光光斑能量密度分布满足高斯分布，烧蚀斑的最边缘对应的激光能量密度与相纸的烧蚀阈值相对应，又由辐照激光能量密度随辐照脉冲激光能量线性变化，获得探测材料表面的烧蚀斑尺寸与辐照脉冲激光能量Ei的理论关系式：
通过matlab优化工具箱，对实测的激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系进行拟合，获得拟合最优激光光斑半径尺寸为1.8mm，即为该靶面位置处的激光光斑尺寸。如图2所示，图中的曲线即为激光烧蚀斑半径与辐照激光能量的实测对应关系及最优拟合曲线图像。
实施例2
首先将相纸放置在待测靶面位置；然后用1064nm的脉冲激光束在相纸上打出一个烧蚀斑，如图3所示，烧蚀斑的最边缘对应的激光能量密度与相纸的烧蚀阈值相对应。
随后通过改变激光器输入电流，实现改变辐照脉冲激光能量，进而实现线性改变辐照激光能量密度，在相纸表面获得不同尺寸大小的烧蚀斑，即可获得激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系，如图4中方块点所示。
其中，辐照脉冲激光能量为1.31J时，烧蚀斑的半径为0.8mm；辐照脉冲激光能量为3.13J时，烧蚀斑的半径为1.0mm；辐照脉冲激光能量为5.25J时，烧蚀斑的半径为1.2mm；辐照脉冲激光能量为7.59J时，烧蚀斑的半径为1.4mm；辐照脉冲激光能量为10.64J时，烧蚀斑的半径为1.5mm。
然后基于基横模激光光斑能量密度分布满足高斯分布，烧蚀斑的最边缘对应的激光能量密度与相纸的烧蚀阈值相对应，又由辐照激光能量密度随辐照脉冲激光能量线性变化，获得相纸表面的烧蚀斑尺寸与辐照脉冲激光能量Ei的理论关系式：
通过matlab优化工具箱，对实测的激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系进行拟合，获得拟合最优激光光斑半径尺寸为1.2mm，即为该靶面位置处的激光光斑尺寸。如图4所示，图中的曲线即为激光烧蚀斑半径与辐照激光能量的实测对应关系及最优拟合曲线图像。
综上所述，本申请提供的激光光斑尺寸的测算方法将探测材料直接放置在待测靶面位置，采用激光束在探测材料表面打出一个烧蚀斑，通过改变辐照激光能量，在材料表面获得不同尺寸大小的烧蚀斑。基于基横模激光光斑能量密度分布满足高斯分布及激光烧蚀斑最边缘处对应的激光能量密度与探测材料的烧蚀阈值对应，推导出激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量密度之间的关系式，进一步由辐照激光能量密度随辐照激光能量线性比例变化，推导出激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的关系式，并对测得的激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系拟合出最优激光光斑尺寸，即为该靶面位置处的激光光斑尺寸。该方法操作简单快捷，测量可靠，对测定条件要求较低，特别适用于短透镜聚焦下多种不同位置靶面激光光斑的测量，能够有效克服常见激光光斑尺寸测量方法在短焦透镜聚焦较高功率的激光束光斑尺寸测量的不足的问题。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种激光光斑尺寸的测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
用激光束辐照置于待测靶面位置的探测材料的表面得到第一烧蚀斑；
改变辐照激光能量并于所述探测材料的表面获得除所述第一烧蚀斑以外的多个烧蚀斑以获得激光烧蚀斑尺寸与辐照激光能量之间的对应关系；
基于所述探测材料表面的烧蚀斑尺寸与辐照激光能量的理论关系式对所得的对应关系进行拟合，拟合曲线方程中代表ω的数据即为待测的激光光斑尺寸。
2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，所述激光束为脉冲激光或可调制连续激光。
3.根据权利要求2所述的测算方法，其特征在于，激光束的激光波长为300-1200nm。
4.根据权利要求3所述的测算方法，其特征在于，激光束的激光波长为500-1200nm。
5.根据权利要求4所述的测算方法，其特征在于，激光束的激光波长为800-1100nm。
6.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，所述探测材料为激光易烧蚀材料。
7.根据权利要求6所述的测算方法，其特征在于，所述探测材料包括相纸、铝箔或铝反射镜。
8.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，改变辐照激光能量是通过改变与辐照激光能量成线性比例关系的参数实现。
9.根据权利要求8所述的测算方法，其特征在于，所述参数包括激光能量、激光脉冲持续时间或激光输入电流。
10.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，拟合采用Matlab软件进行。
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