CN110238547A - 一种用于测量大功率激光焦点位置的系统及测量方法 - Google Patents

一种用于测量大功率激光焦点位置的系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，包括依次连接的人机交互界面、微控制器、步进电机驱动器，步进电机驱动器分别连接电动升降台和位于电动升降台上的电动旋转台，电动旋转台上连接金属靶材，金属靶材上设置光电传感器，还包括沿电动升降台移动方向设置的光栅尺位移传感器，光栅尺位移传感器、光电传感器均连接微控制器，微控制器内置能够采集电信号的ADC模块。该系统结构简单，成本低，自动化程度高，焦点位置测量准确。本发明的还公开了一种大功率激光焦点的测量方法，能够精确地测量大功率激光的焦点位置，避免了人为操作导致测量精度低的问题。

Description

一种用于测量大功率激光焦点位置的系统及测量方法
技术领域
本发明属于激光参数测量设备技术领域，具体涉及一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，还涉及一种大功率激光焦点的测量方法。
背景技术
近年来，科技飞速发展，由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快的特点，激光雕刻和切割技术在工业加工中得到了广泛的应用。随着技术的不断发展，工业中对材料加工的精度要求越来越高，而激光加工的精度与激光的焦点位置有着密切关系，因此精准地找到激光的焦点位置，是提高材料加工精度的关键技术。
在实际工程中，测量激光的焦点位置，就是找到该光束传播方向上光斑横截面积最小的位置。对于近似圆形的光斑，可以转化为光斑半径来反映其大小。目前，在激光加工领域，主要有三种测量激光焦点位置的方法，具体如下：
1.以往的测量方法。比如烧灼法、感光法等。烧灼法依靠观察激光烧灼痕迹最小的位置来确定焦点位置，存在人为操作不便、测量精度低等问题；感光法是利用感光材料记录不同位置的光斑大小，根据光斑面积最小的位置来确定焦点位置，存在无法测量大功率激光的焦点位置、测量精度低等问题。以上测量方法适用性和设备的精确度很难把握，对于操作者要求较高，且测量误差较大。
2.基于电荷耦合元件(Charge Coupled Device，缩写CCD)的光束分析仪(陈诚,郑加金,韦玮,等.基于CCD测量激光光束质量M 2[J].发光学报,2017,38(5):643-648):该方法借助在电子成像设备CCD获得激光光斑的图像显示，再经计算机分析激光得到光束形状参数。其主要的瓶颈在于很难测量大功率的激光光束。德国Cinogy公司推出了一款专门用于测量大功率激光的光束分析仪。该光束分析仪也是基于CCD的测量方法，但成本较高。
3.利用金属探针直接测量激光焦点(李强,金江华,王智勇,等.大功率激光光束光斑诊断仪及其测试原理[J].激光技术,1999,23(6):375-377)：该方法利用高速旋转探针进行取样，并通过内部的光路将取样的光送到探测器上，确定每次取样的能量，同时记录下探针的角度位置以及所在平面位置，通过计算机将对应的数据进行合成，得到不同位置对应截面的光强分布信息，进而确定整个光束的焦点信息。这种方法对所选探针能承受高功率密度激光的要求极高，且对探针的移动控制和时间同步测量要求很高，导致该测量方法的成本过高。
上述三种方法，均能测量激光焦点的位置，但存在无法测量大功率激光焦点位置、测量精度低、成本高以及人为操作不便的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，解决现有方法中存在的无法低成本且自动精准地测量大功率激光焦点位置的问题。
本发明的另一目的是提供一种大功率激光焦点的测量方法。
本发明所采用的技术方案是，一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，包括依次连接的人机交互界面、微控制器、步进电机驱动器，步进电机驱动器分别连接电动升降台和位于电动升降台上的电动旋转台，电动旋转台上连接金属靶材，金属靶材上设置光电传感器，光电传感器连接能够采集电信号的ADC模块，还包括沿电动升降台移动方向设置的光栅尺位移传感器，光栅尺位移传感器、ADC模块均连接微控制器。
本发明的特点还在于：
光电传感器与ADC模块之间还连接有信号放大器。
电动升降台上还连接有能够伸缩的传感器固定装置，传感器固定装置固定连接光电传感器。
电动升降台、电动旋转台内部均含有步进电机。
本发明的另一目的在于，一种大功率激光焦点的测量方法，使用一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过人机交互界面调整电动升降台向下移动，至明显低于焦点位置，调整光电传感器位置至激光照射位置处；
步骤2、打开激光源发射连续激光，通过人机交互界面设定电动升降台向上移动，同时激光连续烧蚀金属靶材产生紫外辐射信号，光电传感器采集紫外辐射信号并转化为电信号，电信号通过ADC模块转化成数字信号，并将数字信号传输至微控制器，微控制器接收数字信号，并判定数字信号大小，当数字信号进入下降趋势时，再使电动升降台继续向上移动距离L，电动升降台停止移动，激光源停止发射激光，金属靶材位于激光焦点上方；
步骤3、通过人机交互界面设定电动升降台以步长m向下移动，并且设定电动旋转台转动角度θ、转动时间间隔Δt；
步骤4、微控制器每隔时间间隔Δt控制电动旋转台转动角度θ，激光烧蚀金属靶材产生紫外辐射信号，光电传感器采集紫外辐射信号并转化为电信号，电信号通过ADC模块转化成一组数字信号，并将数字信号传输至微控制器，微控制器采用滑动平均滤波算法对该组数字信号进行滤波处理，得到一组信号值，选取该组信号值中最大值，用该最大值减去前n个信号值的平均值，即为某一步长对应的测量值，将该测量值保存至微控制器；
步骤5、通过微控制器控制电动升降台向下移动一个步长m，同时光栅尺位移传感器将电动升降台的位置信息反馈至微控制器，重复步骤4，直至电动升降台移动距离为两倍L；
步骤6、对步骤4保存的测量值进行分析，得到激光的焦点位置信息，并将该位置信息显示在人机交互界面上。
步骤6具体过程为：根据微控制器保存的测量值，作一条关于z坐标方向上的紫外光信号强度曲线，采用三次样条法插值处理，通过极值搜索算法找到插值曲线中测量值的最大值，该最大值对应的Z坐标上的位置为激光束的焦点位置。
步骤3所述向下移动步长不小于500μm。
步骤2还包括旋转电动旋转台，激光照射在金属靶材上的位置得到更新。
步骤4还包括：按照设定步长移动电动升降台时，光栅尺位移传感器测量电动升降台的位移信息，并将该位移信息反馈至微控制器，微控制器根据该位移信息校准移动步长。
步骤2向上移动距离L为0-1mm。
本发明的有益效果是，
本发明一种用于测量大功率激光焦点位置的系统利用紫外光电传感器、信号放大器、ADC模块、微控制器、电动升降台、电动旋转台以及光栅尺位移传感器构成闭环控制系统，保证了焦点位置的准确测量；还具有结构简单，成本低，自动化程度高的优点。
本发明一种大功率激光焦点的测量方法，基于激光照射在金属靶材上产生紫外辐射信号的原理，利用微控制器采集并分析不同位置的信号值大小，推算出激光的焦点位置，避免了人为操作导致测量精度低的问题，并且能够测量大功率激光。
附图说明
图1是本发明一种用于测量大功率激光焦点位置的系统结构示意图；
图2是本发明一种用于测量大功率激光焦点位置的系统电路连接关系示意图；
图3是本发明一种用于测量大功率激光焦点位置的系统光电信息转换关系示意图；
图4是本发明一种用于大功率激光焦点位置的系统的实施例中ADC模块输出信号经滤波后的波形；
图5是本发明一种大功率激光焦点位置的系统的实施例中的焦点定位效果图。
图中，1.人机交互界面，2.微控制器，3.步进电机驱动器，4.传感器固定装置，5.电动升降台，6.电动旋转台，7.金属靶材，8.信号放大器，9.光栅尺位移传感器，10.光电传感器，11.ADC模块，12.紫外辐射信号，13.激光源，14.激光。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，如图1所示，包括依次连接的人机交互界面1、微控制器2、步进电机驱动器3，步进电机驱动器3分别连接电动升降台5和位于电动升降台5上的电动旋转台6，电动旋转台6上连接金属靶材7，金属靶材7上设置光电传感器10，光电传感器10连接能够采集电信号的ADC模块11，还包括沿电动升降台5移动方向设置的光栅尺位移传感器9，光栅尺位移传感器9、ADC模块11均连接微控制器2，微控制器2根据光栅尺位移传感器9采集的位移反馈信号，与电动升降台5、步进电机驱动器3构成闭环控制系统。
光栅尺位移传感器9通过某一固定杆固定于电动升降台5底端，能够测量电动升降台5升降位移。
如图2所示，光电传感器10采集到紫外辐射信号12，并转化为相应的电信号，光电传感器10与ADC模块11之间还连接有信号放大器8，能够将光电传感器10中的电信号放大，最终由ADC模块11采集，并将模拟信号转化成数字信号，并传输给微控制器2。
电动升降台5上还连接有能够伸缩的传感器固定装置4，能够前后左右伸缩，传感器固定装置4固定连接光电传感器10，能够将光电传感器10移动到金属靶材7表面上方的任意位置，定焦测量开始前被人为调整固定在某一个合适的位置，以保证传感器固定装置4不遮挡激光路径同时又能吸收到较大比例的紫外光辐射量。
金属靶材7表面光滑平整，固定在电动旋转台6上；电动旋转台6由微控制器2控制步进电机驱动器3来驱动，通过旋转一定角度来更新激光照射在金属靶材7上的位置，能够保证每一次激光14烧蚀时金属靶材7表面的特性是一致的；电动旋转台6固定在电动升降台5的台面上，电动升降台5由微控制器2控制步进电机驱动器3来驱动,可以作z方向的上下移动。
电动升降台5、电动旋转台6内部均含有能够控制相应移动的步进电机。
设本系统装置的水平最低位置为z方向的原点，如图1所示。
人机交互界面1包括系统的参数设定、启动按键和焦点位置信息的显示等。
一种大功率激光焦点的测量方法，使用一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，具体按照以下步骤实施，如图3所示：
步骤1、通过人机交互界面1调整电动升降台5向下移动，至明显低于焦点位置，调整光电传感器10位置至激光照射位置处；
步骤2、打开激光源13发射连续激光14，通过人机交互界面1设定电动升降台5向上移动，同时激光14连续烧蚀金属靶材7产生紫外辐射信号12(含紫外频段的光辐射信号)，光电传感器10采集紫外辐射信号12并转化为电信号，电信号通过ADC模块11转化成数字信号，并将数字信号传输至微控制器2，微控制器2接收到数字信号并比较该数字信号与前一次采集的数字信号的大小，当判定数字信号进入下降趋势时，再使电动升降台5继续向上移动距离L，电动升降台5停止移动，此时金属靶材7位于激光焦点上方，粗调阶段结束，同时激光源13停止发射激光。
向上移动距离L为0-1mm。
还包括旋转电动旋转台6，激光照射在金属靶材7上的位置得到更新，旋转电动旋转台6采集信号能够防止激光烧蚀过金属的位置会有明显的痕迹，导致不平整现象。
步骤3、通过人机交互界面1设定电动升降台5以步长m向下移动，并且设定电动旋转台6转动角度θ、转动时间间隔Δt，并开启激光源13；
转动时间间隔Δt也电动升降台5每次按步长m向下移动的时间。
向下移动步长m不小于500μm。
步骤4、微控制器2每隔时间间隔Δt控制电动旋转台6转动角度θ，激光烧蚀金属靶材7产生紫外辐射信号，光电传感器10采集紫外辐射信号12并转化为电信号，电信号通过ADC模块11转化成一组数字信号，并将数字信号传输至微控制器2，微控制器2采用滑动平均滤波算法对该组数字信号进行滤波处理，得到一组信号值，选取该组信号值中最大值，用该最大值减去前n个信号值的平均值，即为某一步长对应的测量值，将该测量值保存至微控制器2；
n取值为0-50。
用该最大值减去前n个信号值的平均值，目的是消除焦点位置测量过程中所发生的温度漂移、环境光变化对测量结果的影响。
操作次数根据移动步长和电动升降台5移动的总长确定，总长不多于2mm。
同时，按照设定步长移动电动升降台5时，光栅尺位移传感器9测量电动升降台5的位移信息，并将该位移信息以光栅尺的位移反馈信号反馈至微控制器2，微控制器2根据该位移信息校准移动步长。
步骤5、通过微控制器2控制电动升降台5向下移动一个步长m，同时光栅尺位移传感器9将电动升降台5的位置信息反馈至微控制器2，重复步骤4，直至电动升降台5移动距离为两倍L；
步骤6、对步骤4保存的测量值进行分析，得到激光的焦点位置信息，并将该位置信息显示在人机交互界面1上。
具体过程为：根据微控制器2保存的测量值，作一条关于z坐标方向上的紫外光信号强度曲线，采用三次样条法插值处理，通过极值搜索算法找到插值曲线中测量值的最大值，该最大值对应的Z坐标上的位置为激光束的焦点位置。
激光器位置固定，通过此方法能够测量激光器发射的激光的焦点距离激光器的位置。
以上参数都可以设置后作为缺省参数保存在测量系统软件中，以后再次寻找激光焦点实现全程自动化。
本发明一种用于测量大功率激光焦点位置的系统的工作原理是：
如图4所示，对于工业激光，沿光束传播方向，不同位置的光斑能量密度不同，其中焦点位置的能量密度最大，当激光烧蚀金属靶材7时，会诱导金属表面产生等离子体，等离子发出紫外辐射信号12，光斑的能量密度越大，产生的紫外辐射信号12就越强。在传播方向上的不同位置，激光烧蚀同一种金属靶材7产生的紫外辐射信号将不同，利用对紫外波段敏感而对可见光不敏感的光电传感器10，可以通过采集不同位置的紫外辐射信号来反映光斑能量密度的大小。因此，只要找到紫外辐射信号最大的位置，就可以确定激光的焦点位置。
实施例
选用GSS-Fib光纤激光打标机作为实验对象，其激光波长为1064nm，光束质量M2<2，最小线宽为0.01mm，设置其平均功率为5W，重复工作频率为20kHz；光电传感器选用一个GaN肖特基二极管(型号GUVA-S12SD)，信号放大器选用半导体芯片LMV358；金属靶材选用表面平滑的304不锈钢板，钢板厚度为8mm；微控制器选用STM32F407ZGT6，ADC模块选用STM32F407ZGT6内部的ADC模块；步进电机驱动器选用雷赛DM432C；光栅尺位移传感器选用SINOKA300。
首先启动本发明系统，在人机交互界面控制电动升降台向下移动，将平面调整至较低位置，然后打开激光打标机系统，在其出厂自带的操作界面上设置激光打标机参数，使打标机一直发射着激光脉冲烧蚀着金属靶材，产生持续的紫外辐射信号，微控制器控制电动升降台向上移动，设置此时粗调移动速度为1.5cm/s，光电传感器采集该信号并转化为电信号，电信号通过ADC模块传输至微控制器(设置该数模转换采样是每1ms一次)，微控制器接收到电信号并判断电信号幅值变化，取每10次采样计算平均值，当电信号平均值开始变小之后再继续向上移动0.5mm。
接着设置激光打标机输出激光脉冲序列的每次持续时间是21ms，间隔时间3s，并设置电动平移台移动步长m＝100μm，设置电动旋转台每次转动角θ＝10°，转动间隔时间Δt＝3s。使得激光打标机在金属靶材未曾烧蚀过的地方重新烧蚀。按步骤4操作，ADC模块采集的(经滤波处理后)典型信号波形如图4所示，取n＝30，将测量值保存至微控制器。
最后，当执行完步骤5之后，得到z方向不同位置的紫外辐射信号。按步骤6由微控制器分析将采集回来的数据进行三次样条插值处理，最后通过极值搜索算法找到插值曲线中信号的最大值为1574mV，以及该信号最大值对应的位置为150.99mm。光电传感器的信号值随测量位置变化的插值曲线见图5。
为了证明本发明一种用于测量大功率激光焦点位置的系统是准确有效的，把该金属靶材放置在光学显微镜下测量脉冲功率激光烧蚀留下的每个烧蚀坑直径大小，统计烧蚀坑平均直径随z方向测量位置的变化曲线，见图5。由公知的激光打标机常识可知，金属靶材离激光焦点位置越近，则烧蚀坑的平均直径越小。由图5知，烧蚀坑直径最小位置在z＝151.00mm处，与本系统焦点测量结果(在z＝150.99mm处)基本一致，说明本激光焦点位置测量方案的结果是可信的。
本发明一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，包括光电传感器及其信号放大采集电路、步进电动升降和旋转台及其步进电机驱动器、微控制器以及人机交互显示屏；结构简单，成本低，自动化程度高。利用微控制器、电动升降台以及光栅尺位移传感器构成闭环控制系统，保证了焦点位置的准确测量。本发明一种大功率激光焦点的测量方法，基于激光照射在金属靶材上产生的紫外辐射信号的原理，利用微控制器采集并分析不同位置的信号值大小，推算出激光的焦点位置，避免了人为操作导致测量精度低的问题，并且能够测量大功率激光。

Claims (10)

1.一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，其特征在于，包括依次连接的人机交互界面(1)、微控制器(2)、步进电机驱动器(3)，所述步进电机驱动器(3)分别连接电动升降台(5)和位于电动升降台(5)上的电动旋转台(6)，所述电动旋转台(6)上连接金属靶材(7)，所述金属靶材(7)上设置光电传感器(10)，所述光电传感器(10)连接能够采集电信号的ADC模块(11)，还包括沿电动升降台(5)移动方向设置的光栅尺位移传感器(9)，所述光栅尺位移传感器(9)、ADC模块(11)均连接微控制器(2)。
2.根据权利要求1所述一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，其特征在于，所述光电传感器(10)与ADC模块(11)之间还连接有信号放大器(8)。
3.根据权利要求1所述一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，其特征在于，所述电动升降台(5)上还连接有能够伸缩的传感器固定装置(4)，所述传感器固定装置(4)固定连接光电传感器(10)。
4.根据权利要求1所述一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，其特征在于，所述电动升降台(5)、电动旋转台(6)内部均含有步进电机。
5.一种大功率激光焦点的测量方法，其特征在于，使用权利要求1-4任意一项所述一种用于测量大功率激光焦点位置的系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过人机交互界面(1)调整电动升降台(5)向下移动，至明显低于焦点位置，调整光电传感器(10)位置至激光照射位置处；
步骤2、打开激光源发射连续激光，通过人机交互界面(1)设定电动升降台(5)向上移动，同时激光连续烧蚀金属靶材(7)产生紫外辐射信号，光电传感器(10)采集紫外辐射信号并转化为电信号，电信号通过ADC模块(11)转化成数字信号，并将数字信号传输至微控制器(2)，微控制器(2)接收数字信号，并判定数字信号大小，当数字信号进入下降趋势时，再使电动升降台(5)继续向上移动距离L，电动升降台(5)停止移动，金属靶材(7)位于激光焦点上方；
步骤3、通过人机交互界面(1)设定电动升降台(5)以步长m向下移动，并且设定电动旋转台(6)转动角度θ、转动时间间隔Δt；
步骤4、微控制器(2)每隔时间间隔Δt控制电动旋转台(6)转动角度θ，激光烧蚀金属靶材(7)产生紫外辐射信号，光电传感器(10)采集紫外辐射信号并转化为电信号，电信号通过ADC模块(11)转化成一组数字信号，并将数字信号传输至微控制器(2)，微控制器(2)采用滑动平均滤波算法对该组数字信号进行滤波处理，得到一组信号值，选取该组信号值中最大值，用该最大值减去前n个信号值的平均值，即为某一步长对应的测量值，将该测量值保存至微控制器(2)；
步骤5、通过微控制器(2)控制电动升降台(5)向下移动一个步长m，同时光栅尺位移传感器(9)将电动升降台(5)的位置信息反馈至微控制器(2)，重复步骤4，直至电动升降台(5)移动距离为两倍L；
步骤6、对步骤4保存的测量值进行分析，得到激光的焦点位置信息，并将该位置信息显示在人机交互界面(1)上。
6.根据权利要求5所述一种大功率激光焦点的测量方法，其特征在于，步骤6具体过程为：根据微控制器(2)保存的测量值，作一条关于z坐标方向上的紫外光信号强度曲线，采用三次样条法插值处理，通过极值搜索算法找到插值曲线中测量值的最大值，该最大值对应的Z坐标上的位置为激光束的焦点位置。
7.根据权利要求5所述一种大功率激光焦点的测量方法，其特征在于，步骤3所述向下移动步长不小于500μm。
8.根据权利要求5所述一种大功率激光焦点的测量方法，其特征在于，步骤2还包括旋转电动旋转台(6)，激光照射在金属靶材(7)上的位置得到更新。
9.根据权利要求5所述一种大功率激光焦点的测量方法，其特征在于，步骤4还包括：按照设定步长移动电动升降台(5)时，光栅尺位移传感器(9)测量电动升降台(5)的位移信息，并将该位移信息反馈至微控制器(2)，微控制器(2)根据该位移信息校准移动步长。
10.根据权利要求5所述一种大功率激光焦点的测量方法，其特征在于，步骤2所述向上移动距离L为0-1mm。
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