CN110986803A - 一种玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法，该方法包括以下步骤：将经过激光焊接系统后的成品作为样品放置在样品载物台系统中，调节夹具使样品竖直但不夹紧；通过调节窗口区域限制系统将所需测量区域展现出来，遮挡其他部分；打开激光器，适当调整激光器载物台系统和白屏的位置，使干涉现象明显；通过干涉现象中的圆心手动调节样品位置使圆心与边界重合，然后旋转夹具夹紧样品；通过入射角测量系统读出入射角的角度，通过白屏现象读出干涉条纹级数及激光器所发射激光的波长，即可得出所测量位置的玻璃间隙空气层厚度。本发明采用干涉法对焊接后玻璃的空气间隙厚度进行测量，实验所得干涉条纹对比度高，条纹数易确定，测量过程调节简易。

Description

一种玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及激光精密焊接技术领域，特别涉及一种玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法。

背景技术

随着玻璃在电子、光学、通信、微机电系统和生物医学等领域的广泛应用，玻璃的加工方式在更新迭代，超短脉冲激光焊接玻璃成为一大研究方向。其中，激光焊接两块玻璃后形成的空气间隙厚度是确定玻璃有效焊接的重要参数。一方面，空气间隙厚度对焊接后的玻璃性能，如介电性能，微波信号传输性能有较大的影响，另一方面，高光强的超快激光会在玻璃中产生等离子体，而其变化也影响了空气间隙的产生。目前，使用光学法测量透明薄膜厚度已经是较为成熟的技术，在适用对象和测量目的不同的基础上，本发明采用干涉法对焊接后玻璃的空气间隙厚度进行测量，实验所得干涉条纹对比度高，条纹数易确定，测量过程调节简易。

作为激光焊接工艺中的重要步骤，本发明依照等厚干涉的原理，设计了一种玻璃间隙中空气层厚度测量系统及方法，增加了激光玻璃焊接工艺中对成品的空气层厚度这一重要参数的测量方法。

发明内容

本发明提供了一种玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法，旨在解决皮秒激光玻璃焊接系统的成品的间隙空气层厚度的测量问题。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种玻璃间隙空气层厚度测量系统，包括夹具、样品载物台系统、窗口区域限制系统、入射角测量系统、激光器、激光器载物台系统和白屏；激光器位于激光器载物台系统内，激光器载物台系统位于样品载物台系统的右侧，白屏位于样品载物台系统的右侧，窗口区域限制系统与样品载物台系统相连，位于右侧下方，入射角测量系统与窗口区域限制系统相连，位于右侧，夹具位于样品载物台系统的左侧，夹具用于固定待测量玻璃样品；

通过激光器发射激光束，发射的激光束作用于样品载物台系统后至白屏，使激光束在白屏上形成干涉条纹，并利用条纹级数计算玻璃间隙空气层厚度，反映激光焊接后的成品的有效焊接区域。

另一方面，本发明还提供一种玻璃间隙空气层厚度测量方法，包括以下步骤：

步骤S100：将经过激光焊接系统后的成品作为样品放置在样品载物台系统中，调节夹具使样品竖直但不夹紧；

步骤S200：通过调节窗口区域限制系统将所需测量区域展现出来，遮挡其他部分；

步骤S300：打开激光器，适当调整激光器载物台系统和白屏的位置，使干涉现象明显；

步骤S400：通过干涉现象中的圆心手动调节样品位置使圆心与边界重合，然后旋转夹具夹紧样品；

步骤S500：通过入射角测量系统读出入射角的角度，通过白屏现象读出干涉条纹级数及激光器所发射激光的波长，即可得出所测量位置的玻璃间隙空气层厚度。

进一步地，步骤S500，即可得出所测量位置的玻璃间隙空气层厚度具体过程如下：

从光源S出发的到达凸透镜焦平面上任一点P的两支光SAA′P和 SABCC′P是由同一支入射光SA分出来的，并且离开玻璃上表面时相互平行，它们的光程差为

Δ＝n₀(AB+BC+C′P-A′P)+n₁(CC′-AA′)

式中，n₀和n₁分别是周围介质折射率和玻璃的折射率；

过C点做CN垂直于A′N，垂足为N；自N点和自C′点到凸透镜焦平面上 P点的光程相等；又存在因为折射角度相同，光程AA′和CC′相等；故上式写为

Δ＝n₀(AB+BC-A′N) (1)

设空气层的厚度为h，入射光在玻璃上表面的入射角和折射角分别为θ₁和θ₂，可见

将(2)式和(3)式代入(1)式中，可得

Δ＝2n₀h cosθ₁ (4)

这个式子表达的光程差还不完整，因为两支光都在玻璃表面反射，还应考虑光在平板表面反射时“半波损失”引起的附加程差；显然，通过对两支光的s波方向分析，两支光中有一支光发生“半波损失”，此时需要加上附加程差

因此

在求得两支反射光在P点的光程差后，写出在焦平面上两支光的干涉强度表达式

式中，I₁和I₂分别是两支反射光的强度；由上式可见，随着焦平面上不同的位置对应的Δ的变化，将有一组亮暗条纹；这亮、暗条纹分别取决于条件

以上推导是在两玻璃平行时进行的，光源中心点S发出两支入射光经折射和反射后相交于P点，两支光在P点的干涉效应有两支光的光程差

决定；式中，n₀和n₁分别是周围介质折射率和玻璃的折射率；光程差Δ的精确值一般不容易计算，但是实际上两玻璃间的空气层厚度通常都很小，这样近似地可用平行情况下光程差的计算公式(5)来代替，即

式中，h是玻璃间隙中的空气层在P点处的厚度，θ₁是光线在玻璃上表面的入射角；玻璃表面干涉强度的极大值和极小值分别位于满足下列条件的地方：

式中，λ是入射光的波长；

因为n₀是空气的折射率，认为n₀＝1；λ由选用的激光器决定，数值也是已知；入射角θ₁和最高亮纹级数m可通过本仪器观察得出；所以测量处的空气层厚度为

以上便是推导的全过程；结合入射角测量系统和在白屏上观察到的条纹现象以及激光器上激光的波长，便可利用公式计算出所需的玻璃间隙中的空气层厚度。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法通过等厚干涉原理对经过激光焊接系统后的成品的间隙空气层厚度进行测量，增加了激光玻璃焊接工艺中对成品的空气层厚度这一重要参数的测量方法；采用干涉法对焊接后玻璃的空气间隙厚度进行测量，实验所得干涉条纹对比度高，条纹数易确定，测量过程调节简易。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例的玻璃间隙空气层厚度测量系统的结构示意图；

图2是本发明两玻璃平行时光路经折射和反射后在凸透镜焦平面上产生相干现象的原理图；

图3是本发明两玻璃存在一定楔角时经折射和反射后产生相干现象的原理图；

图4是本发明实施例的玻璃间隙空气层厚度测量方法的流程图。

附图标记：10-夹具、20-样品载物台系统、30-窗口区域限制系统、40- 入射角测量系统、50-激光器、60-激光器载物台系统、70-白屏。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，图1是本发明实施例的玻璃间隙空气层厚度测量系统的结构示意图。本发明实施例的玻璃间隙空气层厚度测量系统，包括夹具10、样品载物台系统20、窗口区域限制系统30、入射角测量系统40、激光器 50、激光器载物台系统60和白屏70；激光器50位于激光器载物台系统60 内，激光器载物台系统60位于样品载物台系统20的右侧，白屏70位于样品载物台系统20的右侧，窗口区域限制系统30与样品载物台系统20相连，位于右侧下方，入射角测量系统40与窗口区域限制系统相连30，位于右侧，夹具10位于样品载物台系统20的左侧，夹具10用于固定待测量玻璃样品。

本发明实施例的玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法的测量原理为：通过激光器50发射激光束，发射的激光束作用于样品载物台系统20后至白屏70，使激光束在白屏70上形成干涉条纹，并利用条纹级数计算玻璃间隙空气层厚度，反映激光焊接后的成品的有效焊接区域。

图2和图3所示光路解释了如何利用条纹级数计算玻璃间隙空气层厚度，下面展开讲述详细步骤。

图2所示为当两玻璃平行时光路经折射和反射后在凸透镜焦平面上产生相干现象。

从光源S出发的到达凸透镜焦平面上任一点P的两支光SAA′P和 SABCC′P是由同一支入射光SA分出来的，并且离开玻璃上表面时相互平行，它们的光程差为

Δ＝n₀(AB+BC+C′P-A′P)+n₁(CC′-AA′)

式中，n₀和n₁分别是周围介质折射率和玻璃的折射率。

过C点做CN垂直于A′N，垂足为N。自N点和自C′点到凸透镜焦平面上 P点的光程相等。又存在因为折射角度相同，光程AA′和CC′相等。故上式可以写为

Δ＝n₀(AB+BC-A′N) (1)

设空气层的厚度为h，入射光在玻璃上表面的入射角和折射角分别为θ₁和θ₂，则由图2可见

将(2)式和(3)式代入(1)式中，可得

Δ＝2n₀h cosθ₁ (4)

这个式子表达的光程差还不完整，因为两支光都在玻璃表面反射，还应考虑光在平板表面反射时“半波损失”引起的附加程差。显然，通过对两支光的s波方向分析，两支光中有一支光发生“半波损失”，此时需要加上附加程差

因此

在求得两支反射光在P点的光程差后，就可以写出在焦平面上两支光的干涉强度表达式

式中，I₁和I₂分别是两支反射光的强度。由上式可见，随着焦平面上不同的位置对应的Δ的变化，将有一组亮暗条纹。这亮、暗条纹分别取决于条件

以上推导是在两玻璃平行时进行的，但实际情况其实如图3所示，光源中心点S发出两支入射光经折射和反射后相交于P点，两支光在P点的干涉效应有两支光的光程差

决定。式中，n₀和n₁分别是周围介质折射率和玻璃的折射率。光程差Δ的精确值一般不容易计算，但是实际上两玻璃间的空气层厚度通常都很小，这样近似地可用平行情况下光程差的计算公式(5)来代替，即

式中，h是玻璃间隙中的空气层在P点处的厚度，θ₁是光线在玻璃上表面的入射角。玻璃表面干涉强度的极大值(亮纹)和极小值(暗纹)分别位于满足下列条件的地方：

式中，λ是入射光的波长。

因为n₀是空气的折射率，我们近似地认为n₀＝1。λ由选用的激光器决定，数值也是已知。入射角θ₁和最高亮纹级数m可通过本仪器观察得出。所以我们测量处的空气层厚度为

以上便是推导的全过程。结合本发明示例的入射角测量系统和在白屏上观察到的条纹现象以及激光器上激光的波长，便可利用公式计算出所需的玻璃间隙中的空气层厚度。

已知两块玻璃式样经过激光焊接系统时，皮秒激光束在待焊接玻璃式样交界面形成光斑，并利用聚焦光斑对待焊接式样进行焊接。焊接后的成品后存在一定的空气层间隙，而空气间隙厚度是确定玻璃有效焊接的重要参数。一方面，空气间隙厚度对焊接后的玻璃性能，如介电性能，微波信号传输性能有较大的影响，另一方面，高光强的超快激光会在玻璃中产生的等离子体，而其变化也影响了空气间隙的产生。故作为激光焊接工艺中的重要步骤，本发明所示玻璃间隙中空气层厚度测量系统将在上述工序后确定成品的空气层间隙厚度，为接下来的实用阶段提供有效参数。

请参阅图4，是本发明实施例的玻璃间隙中空气层厚度测量方法的流程图。本发明实施例的玻璃间隙中空气层厚度测量方法包括以下步骤：

步骤S100：将经过激光焊接系统后的成品作为样品放置在样品载物台系统中，调节夹具使样品竖直但不夹紧。

步骤S200：通过调节窗口区域限制系统将所需测量区域展现出来，遮挡其他部分。

步骤S300：打开激光器，适当调整激光器载物台系统和白屏的位置，使干涉现象明显。

步骤S400：通过干涉现象中的圆心手动调节样品位置使圆心与边界重合，然后旋转夹具夹紧样品。

步骤S500：通过入射角测量系统读出入射角的角度，通过白屏现象读出干涉条纹级数及激光器所发射激光的波长，代入(7)式中即可得出所测量位置的玻璃间隙空气层厚度。

本发明实施例的玻璃间隙空气层厚度测量系统及方法通过等厚干涉原理对经过激光焊接系统后的成品的间隙空气层厚度进行测量，增加了激光玻璃焊接工艺中对成品的空气层厚度这一重要参数的测量方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种玻璃间隙空气层厚度测量系统，其特征在于，包括夹具、样品载物台系统、窗口区域限制系统、入射角测量系统、激光器、激光器载物台系统和白屏；激光器位于激光器载物台系统内，激光器载物台系统位于样品载物台系统的右侧，白屏位于样品载物台系统的右侧，窗口区域限制系统与样品载物台系统相连，位于右侧下方，入射角测量系统与窗口区域限制系统相连，位于右侧，夹具位于样品载物台系统的左侧，夹具用于固定待测量玻璃样品；

通过激光器发射激光束，发射的激光束作用于样品载物台系统后至白屏，使激光束在白屏上形成干涉条纹，并利用条纹级数计算玻璃间隙空气层厚度，反映激光焊接后的成品的有效焊接区域。

2.一种玻璃间隙空气层厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：将经过激光焊接系统后的成品作为样品放置在样品载物台系统中，调节夹具使样品竖直但不夹紧；

步骤S200：通过调节窗口区域限制系统将所需测量区域展现出来，遮挡其他部分；

步骤S300：打开激光器，适当调整激光器载物台系统和白屏的位置，使干涉现象明显；

步骤S400：通过干涉现象中的圆心手动调节样品位置使圆心与边界重合，然后旋转夹具夹紧样品；

步骤S500：通过入射角测量系统读出入射角的角度，通过白屏现象读出干涉条纹级数及激光器所发射激光的波长，即可得出所测量位置的玻璃间隙空气层厚度。

3.根据权利要求2所述的玻璃间隙空气层厚度测量方法，其特征在于，步骤S500，即可得出所测量位置的玻璃间隙空气层厚度具体过程如下：

从光源S出发的到达凸透镜焦平面上任一点P的两支光SAA′P和SABCC′P是由同一支入射光SA分出来的，并且离开玻璃上表面时相互平行，它们的光程差为

Δ＝n₀(AB+BC+C′P-A′P)+n₁(CC′-AA′)

式中，n₀和n₁分别是周围介质折射率和玻璃的折射率；

过C点做CN垂直于A′N，垂足为N；自N点和自C′点到凸透镜焦平面上P点的光程相等；又存在因为折射角度相同，光程AA′和CC′相等；故上式写为

Δ＝n₀(AB+BC-A′N) (1)

设空气层的厚度为h，入射光在玻璃上表面的入射角和折射角分别为θ₁和θ₂，可见

将(2)式和(3)式代入(1)式中，可得

Δ＝2n₀h cosθ₁ (4)

这个式子表达的光程差还不完整，因为两支光都在玻璃表面反射，还应考虑光在平板表面反射时“半波损失”引起的附加程差；显然，通过对两支光的s波方向分析，两支光中有一支光发生“半波损失”，此时需要加上附加程差

因此

在求得两支反射光在P点的光程差后，写出在焦平面上两支光的干涉强度表达式

式中，I₁和I₂分别是两支反射光的强度；由上式可见，随着焦平面上不同的位置对应的Δ的变化，将有一组亮暗条纹；这亮、暗条纹分别取决于条件

以上推导是在两玻璃平行时进行的，光源中心点S发出两支入射光经折射和反射后相交于P点，两支光在P点的干涉效应有两支光的光程差

决定；式中，n₀和n₁分别是周围介质折射率和玻璃的折射率；光程差Δ的精确值一般不容易计算，但是实际上两玻璃间的空气层厚度通常都很小，这样近似地可用平行情况下光程差的计算公式(5)来代替，即

式中，h是玻璃间隙中的空气层在P点处的厚度，θ₁是光线在玻璃上表面的入射角；玻璃表面干涉强度的极大值和极小值分别位于满足下列条件的地方：

式中，λ是入射光的波长；

因为n₀是空气的折射率，认为n₀＝1；λ由选用的激光器决定，数值也是已知；入射角θ₁和最高亮纹级数m可通过本仪器观察得出；所以测量处的空气层厚度为

以上便是推导的全过程；结合入射角测量系统和在白屏上观察到的条纹现象以及激光器上激光的波长，便可利用公式计算出所需的玻璃间隙中的空气层厚度。

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