CN110966929A - 一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法及装置，属于激光加工在线检测领域。本发明利用连续激光共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，利用不同延迟时间的飞秒脉冲激光对材料进行光谱探测以获得材料性能参数，并同时利用共焦光路对其进行形态参数探测。重复上述“连续激光共焦定位‑飞秒激光加工‑延迟飞秒激光光谱性能参数探测‑同步共焦形态参数探测”过程，能够同时获得飞秒激光加工中材料的形态参数和性能参数随时间的变化过程，实现飞秒激光加工中材料形态参数和性能参数的时间分辨测量，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品加工质量。

Description

一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法及装置,属于激光加工在线检测领域。
背景技术
飞秒激光加工技术，利用激光脉冲的紧聚焦“焦点”与材料发生非线性作用，诱导光物理、光化学变化，实现了微纳器件结构的加工制造，因其具有加工精细度高、材料适应性广等显著优势而备受关注。
在飞秒激光对材料的加工制造过程中，一般包含对材料的去除加工和改性加工，即材料的“成型”与“成性”，在一些尖端制造领域往往是二者兼有，即在飞秒加工过程中材料的形态参数和性能参数均发生变化。目前，对飞秒加工中形态和性能瞬时变化过程认识的不足限制了加工质量的提升，因此，对飞秒加工中样品的形态参数和性能参数进行时间分辨精确测量，是提升飞秒加工工艺水平、提高加工过程可控性的关键所在。
在形态参数测量方面，由于飞秒激光对材料的去除加工过程时间极短，大部分现有测量手段仍然基于传统测量技术，如：基于激光三角位移传感器轴向监测、背向相干层析监测、光学相干层析监测等方法，其分辨力均在亚微米级；基于共焦的测量技术在飞秒激光加工中具有极高的应用潜力，共焦或差动共焦轴向监测手段具有纳米级的轴向分辨力，且具备较高的定焦精度和测量稳定性，例如专利CN108286936A公开的一种激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置，解决了飞秒激光加工过程中的漂移问题、高精度实时定焦问题以及飞秒激光加工样品的在线检测问题，但该发明的测量对象仍然是宏观时间尺度上的样品形态，无法监测材料去除瞬间的形态变化过程。
在性能参数测量方面，由于飞秒激光对材料的改性加工时间过程极短，目前测量手段无法获得瞬时的材料性质变化信息，例如专利CN109270047A公开的一种飞秒激光加工参数共焦拉曼光谱原位监测方法与装置，在飞秒激光加工系统中创造性地融入激光共焦拉曼光谱探测技术，实现了飞秒激光加工中形态性能参数的一体化原位监测，但是，该专利仍然是针对宏观时间尺度上样品形态参数和性能参数的测量，无法实现飞秒加工瞬间材料形态参数和性能参数的同步时间分辨测量。
发明内容
本发明的目的是为了获得飞秒加工中形态和性能的瞬时变化过程，并由此提高飞秒加工过程的可控性，提出一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法及装置。本发明将飞秒激光分束为加工光和探测光，利用飞秒加工光对材料进行去除和改性加工，利用飞秒探测光探测材料的超快光谱，并同步利用共焦光路探测其形态变化，实现飞秒加工中样品形态参数和性能参数的同步时间分辨测量。
本发明所述的激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法，利用连续激光共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，并利用不同延迟时间的飞秒脉冲激光对材料进行光谱探测以获得材料性能参数，并同时利用共焦光路对其进行形态参数探测。重复上述“连续激光共焦定位-飞秒激光加工-延迟飞秒激光光谱性能参数探测-同步共焦形态参数探测”过程，能够同时获得飞秒激光加工中材料的形态参数和性能参数随时间的变化过程，实现飞秒激光加工中材料形态参数和性能参数的时间分辨测量，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品加工质量。
本发明所述的激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量装置，包括飞秒脉冲激光器，位于飞秒脉冲激光器出射方向的A分光镜，在A分光镜的反射光束传播方向上依次配置有A快门、A反射镜、B反射镜、C反射镜、D反射镜、频率调制器、二向色镜，其中，B反射镜和C反射镜位于A直线运动模块上，安装保证B反射镜的光束入射方向、C反射镜的光束出射方向、A直线运动模块的运动方向三者平行。
在A分光镜的透射光束传播方向上，依次配置有B快门、E反射镜、F反射镜、G反射镜、B分光镜，其中，E反射镜和F反射镜位于B直线运动模块上，安装保证E反射镜的光束入射方向、F反射镜的光束出射方向、B直线运动模块的运动方向三者平行。
二向色镜和B分光镜的安装保证二者的反射光束共轴且沿同方向传播，在反射光束传播方向上依次配置有物镜、样品、三维精密位移台，在反射光束传播的反方向上依次配置有滤光片、光谱仪，安装时，应保证物镜的光轴与二向色镜和B分光镜的反射光束同轴。样品安装在三维精密位移台上，由三维精密位移台带动样品实现三维运动。
在滤光片反射光束方向上，同轴依次配置的准直镜、连续光激光器，其中，连续光激光器经准直镜准直后的光束经滤光片反射后与二向色镜和B分光镜的反射光束同轴，且三者经过物镜汇聚于同一焦点。
在准直镜与滤光片之间配置有C分光镜，在C分光镜的反射光束方向上依次配置有收集透镜、针孔、光电探测器。针孔位于收集透镜的焦点处，光电探测器的安装位置须保证其能够收集透过针孔的全部光强，以构成共焦探测模块。
计算机用于控制飞秒激光器发出脉冲激光，同步控制A快门、B快门，并控制B直线运动模块进行光程延迟。同时，计算机控制精密位移台进行三维运动，控制连续光激光器发出连续激光，光电探测器的光强信号和光谱仪的光谱信号进入计算机。
光谱仪为拉曼光谱仪，或布里渊光谱仪，或LIBS光谱仪。
上述装置进行测量的具体步骤如下：
步骤一：将待加工的样品置于三维精密位移台上，计算机控制连续光激光器发出连续激光经准直镜准直后，由物镜汇聚于样品表面，反射光经滤光片、C分光镜由共焦探测模块进行轴向位置探测，计算机根据共焦探测模块的位置反馈控制三维精密位移台对样品进行调整，以确保飞秒激光加工轴向位置的准确性。
其中，共焦探测模块由收集透镜、放置于收集透镜焦面的针孔和光电探测器组成，计算机控制精密位移台对样品进行轴向位置扫描，并同步采集光电探测器的信号得到共焦轴向响应曲线，计算机对共焦轴向响应曲线进行拟合获得峰值点，据此进行轴向定位。
步骤二：关闭连续光激光器，使用飞秒激光器发出高功率飞秒加工激光对样品进行加工，并使用时间延迟的低功率飞秒探测激光对样品表面进行时间分辨光谱探测和时间分辨共焦轴向位置探测。飞秒探测激光的反射光经滤光片滤除激发光，由光谱仪完成光谱探测传输至计算机，以获得材料的性能参数，同时，飞秒探测激光的反射光经滤光片反射后仍然由共焦探测模块进行轴向位置测量。
其中，计算机控制飞秒激光器发出飞秒脉冲激光，经过A分光镜分为加工光和探测光，在加工光部分，计算机控制A快门将加工光截取为单个脉冲或有限个脉冲，由A反射镜、B反射镜、C反射镜、D反射镜和A直线运动模块实现光程延迟，再经过频率调制器件降低加工光的频率，经二向色镜反射后，通过物镜对样品进行加工。在探测光部分，计算机控制B快门将探测光截取为单个脉冲，由E反射镜、F反射镜、G反射镜和B直线运动模块实现光程延迟，A直线运动模块和计算机控制的B直线运动模块使探测光相对于加工光的延迟时间为τ，探测光经过B分光镜反射后，通过物镜对样品进行探测。
步骤三：计算机控制三维精密位移台移动样品，使激光加工位置处于样品表面的未加工处再进行步骤一、步骤二，重复上述步骤足够次数直至光谱仪获得足够强度的光谱信号，即获得飞秒脉冲加工后延迟了τ时间的材料性能参数。同时，共焦探测模块也获得足够强度的光强信号，在计算机的控制下完成轴向扫描位置测量，即获得飞秒脉冲加工延迟了τ时间的材料形态参数。
步骤四：改变延迟时间τ，重复步骤一、步骤二、步骤三，测量不同延迟时间下材料的光谱和轴向位置，获得材料去除和改性加工过程中形态参数和性能参数随时间的变化过程。
光谱仪实现拉曼光谱探测或布里渊光谱探测或LIBS光谱探测。
有益效果
本发明对比已有技术，具有以下优势：
1、采用飞秒脉冲激光同步测量样品的轴向位置和光谱，获得飞秒加工瞬时的材料形态和性能变化信息，解决了材料形态参数和性能参数的同步时间分辨测量问题；
2、采用共焦技术对样品轴向位置进行精确测量和定位，提高了轴向测量精度和定位精度，实现了材料轴向位置的高精度测量和光谱测量时材料的轴向高精度定位；
3、对材料进行周期性的“扫描-飞秒去除和改性加工-飞秒延迟位置探测-同步光谱探测”过程，提高了光强和光谱信号的信噪比，实现了飞秒加工中材料瞬时形态参数和性能参数的稳定测量。
附图说明
图1为本发明示意图。
图2为飞秒激光对材料的去除和改性加工示意图。
其中，1-飞秒激光器，2-A分光镜，3-A快门，4-A反射镜，5-A直线运动模块，6-B反射镜，7-C反射镜，8-D反射镜，9-频率调制器，10-二向色镜，11-物镜，12-样品，13-三维精密位移台，14-B快门，15-B直线运动模块，16-E反射镜，17-F反射镜，18-G反射镜，19-B分光镜，20-滤光片，21-C分光镜，22-收集透镜，23-针孔，24-光电探测器，25-连续光激光器，26-准直镜，27-光谱仪，28-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法，利用连续激光共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，并利用不同延迟时间的飞秒脉冲激光对材料进行光谱探测以获得材料性能参数，并同时利用共焦光路对其进行形态参数探测。重复上述“连续激光共焦定位-飞秒激光加工-延迟飞秒激光光谱性能参数探测-同步共焦形态参数探测”过程，可同时获得飞秒激光加工中材料的形态参数和性能参数随时间的变化过程，实现飞秒激光加工中材料形态参数和性能参数的时间分辨测量，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品加工质量。如图2所示，飞秒激光在t时间内对材料进行改性加工和去除加工，通过本发明获得在上述t时间内材料形态参数和性能参数的瞬时变化过程。
一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量装置，如图1所示，包括飞秒脉冲激光器1，位于飞秒脉冲激光器1出射方向的A分光镜2，在A分光镜2的反射光束传播方向上，依次配置有A快门3、A反射镜4、B反射镜6、C反射镜7、D反射镜8、频率调制器9、二向色镜10，其中，B反射镜6和C反射镜7位于A直线运动模块5上，安装时，应保证B反射镜6的光束入射方向、C反射镜7的光束出射方向、A直线运动模块5的运动方向三者平行。
在A分光镜2的透射光束传播方向上，依次配置有B快门14、E反射镜16、F反射镜17、G反射镜18、B分光镜19，其中，E反射镜16和F反射镜17位于B直线运动模块15上，安装时，应保证E反射镜16的光束入射方向、F反射镜17的光束出射方向、B直线运动模块15的运动方向三者平行。
二向色镜10和B分光镜19，二者的反射光束共轴且沿同方向传播，在反射光束传播方向上，依次配置有物镜11、样品12、三维精密位移台13，在反射光束传播的反方向上，依次配置有滤光片20、光谱仪27，安装时，应保证物镜11的光轴与二向色镜10和B分光镜19的反射光束同轴。样品12安装在三维精密位移台13上，由三维精密位移台13带动样品12实现三维运动。
在滤光片20反射光束方向上，同轴依次配置准直镜26、连续光激光器25，其中，连续光激光器25经准直镜26准直后的光束，经滤光片20反射后，与二向色镜10和B分光镜19的反射光束同轴，且三者经过物镜11汇聚于同一焦点。
在准直镜26与滤光片20之间，配置有C分光镜21，在C分光镜21的反射光束方向上，依次配置有收集透镜22、针孔23、光电探测器24。针孔23位于收集透镜22的焦点处，光电探测器24的安装位置，须保证其能够收集透过针孔23的全部光强，以构成共焦探测模块。
计算机28用于控制飞秒激光器1发出脉冲激光，同步控制A快门3、B快门14，并控制B直线运动模块15进行光程延迟。同时，计算机28控制精密位移台13进行三维运动，控制连续光激光器25发出连续激光，光电探测器25的光强信号和光谱仪27的光谱信号进入计算机28。
光谱仪27为拉曼光谱仪，或布里渊光谱仪，或LIBS光谱仪。
使用上述装置进行测量的步骤如下：
步骤一：将待加工的样品12置于三维精密位移台13上，计算机28控制连续光激光器25发出连续激光经准直镜26准直后，由物镜11汇聚于样品12表面，反射光经滤光片20、C分光镜21由共焦探测模块进行轴向位置探测，计算机28根据共焦探测模块的位置反馈，控制三维精密位移台13对样品12进行调整，以确保飞秒激光加工轴向位置的准确性。
其中，共焦探测模块由收集透镜22、放置于收集透镜22焦面的针孔23和光电探测器24组成，计算机28控制精密位移台13对样品12进行轴向位置扫描，并同步采集光电探测器24的信号得到共焦轴向响应曲线，计算机28对共焦轴向响应曲线进行拟合获得峰值点，据此进行轴向定位。
步骤二：关闭连续光激光器28，使用飞秒激光器1发出高功率飞秒加工激光对样品12进行加工，并使用时间延迟的低功率飞秒探测激光对样品12表面进行时间分辨光谱探测和时间分辨共焦轴向位置探测。飞秒探测激光的反射光经滤光片20滤除激发光，由光谱仪27完成光谱探测传输至计算机28，以获得材料的性能参数，同时，飞秒探测激光的反射光经滤光片20反射后仍然由共焦探测模块进行轴向位置测量。
其中，计算机28控制飞秒激光器1发出飞秒脉冲激光，经过A分光镜2分为加工光和探测光，在加工光部分，计算机28控制A快门3将加工光截取为单个脉冲或有限个脉冲，由A反射镜4、B反射镜6、C反射镜7、D反射镜8和A直线运动模块5实现光程延迟，再经过频率调制器件9降低加工光的频率，经二向色镜10反射后，通过物镜11对样品12进行加工。在探测光部分，计算机28控制B快门14将探测光截取为单个脉冲，由E反射镜16、F反射镜17、G反射镜18和B直线运动模块15实现光程延迟，A直线运动模块5和计算机28控制的B直线运动模块15使探测光相对于加工光的延迟时间为τ，探测光经过B分光镜19反射后，通过物镜11对样品12进行探测。
步骤三：计算机28控制三维精密位移台13移动样品12，使激光加工位置处于样品12表面的未加工处再进行步骤一、步骤二，重复上述步骤，直至光谱仪27获得足够强度的光谱信号，即获得飞秒脉冲加工后延迟了τ时间的材料性能参数。同时，共焦探测模块也获得足够强度的光强信号，在计算机28的控制下完成轴向扫描位置测量，即获得飞秒脉冲加工延迟了τ时间的材料形态参数。
步骤四：改变延迟时间τ，重复步骤一、步骤二、步骤三，测量不同延迟时间下材料的光谱和轴向位置，获得材料去除和改性加工过程中形态参数和性能参数随时间的变化过程。
其中，光谱仪27实现拉曼光谱探测或布里渊光谱探测或LIBS光谱探测。

Claims (6)

1.一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法，其特征在于,利用连续激光共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，利用不同延迟时间的飞秒脉冲激光对材料进行光谱探测以获得材料性能参数，并同时利用共焦光路对其进行形态参数探测；
重复上述“连续激光共焦定位-飞秒激光加工-延迟飞秒激光光谱性能参数探测-同步共焦形态参数探测”过程，同时获得飞秒激光加工中材料的形态参数和性能参数随时间的变化过程，实现飞秒激光加工中材料形态参数和性能参数的时间分辨测量。
2.一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量装置，其特征在于,包括飞秒脉冲激光器(1)，位于飞秒脉冲激光器(1)出射方向的A分光镜(2)，在A分光镜(2)的反射光束传播方向上依次配置有A快门(3)、A反射镜(4)、B反射镜(6)、C反射镜(7)、D反射镜(8)、频率调制器(9)、二向色镜(10)，其中，B反射镜(6)和C反射镜(7)位于A直线运动模块(5)上，安装保证B反射镜(6)的光束入射方向、C反射镜(7)的光束出射方向、A直线运动模块(5)的运动方向三者平行；
在A分光镜(2)的透射光束传播方向上，依次配置有B快门(14)、E反射镜(16)、F反射镜(17)、G反射镜(18)、B分光镜(19)，其中，E反射镜(16)和F反射镜(17)位于B直线运动模块(15)上，安装保证E反射镜(16)的光束入射方向、F反射镜(17)的光束出射方向、B直线运动模块(15)的运动方向三者平行；
二向色镜(10)和B分光镜(19)，二者的反射光束共轴且沿同方向传播，在反射光束传播方向上，依次配置有物镜(11)、样品(12)、三维精密位移台(13)，在反射光束传播的反方向，上依次配置有滤光片(20)、光谱仪(27)，安装保证物镜(11)的光轴与二向色镜(10)和B分光镜(19)的反射光束同轴；样品(12)安装在三维精密位移台(13)上，由三维精密位移台(13)带动样品(12)实现三维运动；
在滤光片(20)反射光束方向上，同轴依次配置准直镜(26)、连续光激光器(25)，其中，连续光激光器(25)经准直镜(26)准直后的光束经滤光片(20)反射后与二向色镜(10)和B分光镜(19)的反射光束同轴，且三者经过物镜(11)汇聚于同一焦点；
在准直镜(26)与滤光片(20)之间，配置有C分光镜(21)，在C分光镜(21)的反射光束方向上依次配置有收集透镜(22)、针孔(23)、光电探测器(24)；针孔(23)位于收集透镜(22)的焦点处，光电探测器(24)的安装位置须保证其能够收集透过针孔(23)的全部光强，以构成共焦探测模块；
计算机(28)用于控制飞秒激光器(1)发出脉冲激光，同步控制A快门(3)、B快门(14)，并控制B直线运动模块(15)进行光程延迟；同时，计算机(28)控制精密位移台(13)进行三维运动，控制连续光激光器(25)发出连续激光，光电探测器(25)的光强信号和光谱仪(27)的光谱信号进入计算机(28)。
3.如权利要求2所述的一种激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量装置，其特征在于,测量过程包括以下步骤：
步骤一：将待加工的样品(12)置于三维精密位移台(13)上，计算机(28)控制连续光激光器(25)发出连续激光经准直镜(26)准直后，由物镜(11)汇聚于样品(12)表面，反射光经滤光片(20)、C分光镜(21)由共焦探测模块进行轴向位置探测，计算机(28)根据共焦探测模块的位置反馈控制三维精密位移台(13)对样品(12)进行调整，以确保飞秒激光加工轴向位置的准确性；
其中，共焦探测模块由收集透镜(22)、放置于收集透镜(22)焦面的针孔(23)和光电探测器(24)组成，计算机(28)控制精密位移台(13)对样品(12)进行轴向位置扫描，并同步采集光电探测器(24)的信号得到共焦轴向响应曲线，计算机(28)对共焦轴向响应曲线进行拟合获得峰值点，据此进行轴向定位；
步骤二：关闭连续光激光器(28)，使用飞秒激光器(1)发出高功率飞秒加工激光对样品(12)进行加工，并使用时间延迟的低功率飞秒探测激光对样品(12)表面进行时间分辨光谱探测和时间分辨共焦轴向位置探测；飞秒探测激光的反射光经滤光片(20)滤除激发光，由光谱仪(27)完成光谱探测传输至计算机(28)，以获得材料的性能参数，同时，飞秒探测激光的反射光经滤光片(20)反射后仍然由共焦探测模块进行轴向位置测量；
其中，计算机(28)控制飞秒激光器(1)发出飞秒脉冲激光，经过A分光镜(2)分为加工光和探测光，在加工光部分，计算机(28)控制A快门(3)将加工光截取为单个脉冲或有限个脉冲，由A反射镜(4)、B反射镜(6)、C反射镜(7)、D反射镜(8)和A直线运动模块(5)实现光程延迟，再经过频率调制器件(9)降低加工光的频率，经二向色镜(10)反射后，通过物镜(11)对样品(12)进行加工；在探测光部分，计算机(28)控制B快门(14)将探测光截取为单个脉冲，由E反射镜(16)、F反射镜(17)、G反射镜(18)和B直线运动模块(15)实现光程延迟，A直线运动模块(5)和计算机(28)控制的B直线运动模块(15)使探测光相对于加工光的延迟时间为τ，探测光经过B分光镜(19)反射后，通过物镜(11)对样品(12)进行探测；
步骤三：计算机(28)控制三维精密位移台(13)移动样品(12)，使激光加工位置处于样品(12)表面的未加工处再进行步骤一、步骤二，重复上述步骤，直至光谱仪(27)获得足够强度的光谱信号，即获得飞秒脉冲加工后延迟了τ时间的材料性能参数；同时，共焦探测模块也获得足够强度的光强信号，在计算机(28)的控制下完成轴向扫描位置测量，即获得飞秒脉冲加工延迟了τ时间的材料形态参数；
步骤四：改变延迟时间τ，重复步骤一、步骤二、步骤三，测量不同延迟时间下材料的光谱和轴向位置，获得材料去除和改性加工过程中形态参数和性能参数随时间的变化过程。
4.根据权利要求2所述的激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法，其特征在于：光谱仪(27)为拉曼光谱仪，用于实现拉曼光谱探测。
5.根据权利要求2所述的激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法，其特征在于：光谱仪(27)为布里渊光谱仪，用于实现布里渊光谱探测。
6.根据权利要求2所述的激光加工形态性能时间分辨共焦光谱测量方法，其特征在于：光谱仪(27)为LIBS光谱仪，用于实现LIBS光谱探测。
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