CN111230290A - 一种光电信号同步超快激光与iccd相机的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，使超快激光加工过程与ICCD相机电子快门曝光过程同步运行，实时准确捕捉超快激光与材料相互作用的瞬态过程。在调节激光加工过程与ICCD相机电子快门曝光先后顺序的同时，解决超快激光出光时间不稳定造成的ICCD相机电子快门曝光过程无法精确同步激光加工过程的问题。本发明在不改动原始激光束聚焦条件及不影响加工所需激光能量的基础上，将初始激光束分束成信号激光束及加工激光束，通过将信号激光转变为脉冲电信号及调节激光传播距离的方式，实现ICCD相机电子快门曝光与激光加工过程的时间同步，为分析超快激光与物质相互作用的演化过程提供有效的时间序列保障。

Description

一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法
技术领域
本发明涉及激光与相机的同步系统，尤其涉及一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统和方法。
背景技术
CCD相机在激光加工过程中往往被用于确定加工位置、激光束质量检测以加工过程的实时监控。CCD相机连接方法通常采用电脑或延迟器触发，通过设置触发信号延时的方式实现CCD相机与激光加工的同步。中国专利201810376733.3利用高速摄像机对激光增材制造过程进行了实时同步监测，但高速摄像机的最短曝光时间为1μs,不能达到监测超快激光加工的水平。中国专利201721481126.0通过电脑连接CCD并通过CCD监测飞秒激光加工对象表面出现的变化，而CCD与激光未能实现时间上的精准同步，不能严格按照时间序列捕捉一系列的超快激光与物质相互作用图像。随着超快激光精密制造技术的发展，尤其是拥有纳秒级电子快门曝光宽度的ICCD相机发明以来，高精同步捕捉和监控加工过程成为超快激光加工中的一个重要环节。ICCD相机拥有纳秒级电子快门曝光宽度，可以实现时间分辨率为纳秒级别的时间序列图像拍摄，研究人员通过相机的瞬时曝光捕捉超快激光与物质相互作用瞬时变化，可以深刻理解超快激光与物质作用过程中物质形态、等离子体演变过程及光致发光导致的光谱变化等过程。然而超快激光受激光泵浦源、激发电源及外部环境的影响存在出光时间波动的现象，传统的同步方法已经无法满足ICCD相机与超快激光的高精时间同步，从而难以实现稳定有效的以时间为分辨率的激光与物质作用的演化分析。
本发明公开了一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，使得超快激光加工过程与ICCD相机电子快门曝光过程同步运行，实时准确捕捉超快激光与材料相互作用的瞬态过程。在调节激光加工过程与ICCD相机电子快门曝光先后顺序的同时，解决了超快激光加工过程中因超快激光出光时间不稳定造成的ICCD相机电子快门曝光过程无法精确同步激光加工过程的问题。本发明在不改动原始激光束聚焦条件及不影响加工所需激光能量的基础上，将初始激光束分束成信号激光束及加工激光束，通过将信号激光转变为脉冲电信号及调节激光传播距离的方式，实现ICCD相机电子快门曝光与激光加工过程的时间同步，为分析超快激光与物质相互作用的演化过程提供了有效的时间序列保障。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，包括：
步骤1、在激光器输出口放置一面对应激光波长的分束镜(S)，将初始光束(B1)分成信号激光束(B2)与加工激光束(B3)；
步骤2、加工激光束经反射镜反射后通过原有聚焦装置后用于加工样品；信号激光束垂直入射进光电探测器，光电探测器接收信号激光束的第一个脉冲并且转换为脉冲电信号；光电探测器连接ICCD相机，并将转换后的脉冲电信号作为开始信号触发ICCD相机电子快门曝光进行超快激光加工过程的图像捕捉；
步骤3、根据ICCD相机捕捉的图像内容判断ICCD相机电子快门曝光过程与激光加工过程的先后工作顺序。如第一张图像有激光加工内容或图像始终无法显示内容，记为激光加工顺序在前。如第一张照片无内容而后续照片显示加工激光的内容，记为ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前。
步骤4、针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，记录ICCD相机开始工作时间(t1)及第一幅显示激光加工图像的时间(t2),则ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差为Δt。
步骤5、针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，根据步骤4计算的时间差Δt，通过延长信号激光束到光电探测器距离(ΔL1)的方式补偿ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差Δt,实现ICCD相机电子快门曝光过程与超快激光加工过程的同步。
步骤6、针对激光加工顺序在前的情况，需要缩短信号激光到光电探测器的距离(ΔL1)或延长加工激光的传播光程(ΔL2)，直到第一张照片无内容而后续照片显示加工激光信息为止，此时ICCD相机电子快门曝光顺序在激光之前；根据步骤4、5完成ICCD相机电子快门曝光过程与超快激光加工过程的同步触发。
如所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，分束镜S放置夹角与初始激光束成45°，对初始激光束的透射率和反射率比值为99:1，其中透射光束作为加工激光束并通过原有聚焦装置，保证加工激光束的聚焦尺寸及激光加工过程需要的激光能量；反射光束作为信号激光束，垂直入射进光电探测器。
如所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，垂直入射进光电探测器的信号激光束的第一个脉冲率先被转化输出为脉冲电信号，脉冲电信号具有大于5V电压，且上升沿宽度小于30ps。确保脉冲电信号可以触发ICCD相机开始工作。
如所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差为Δt＝t2-t1。
如所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，信号激光束到光电探测器的距离ΔL1＝Δt×v0,其中v0为光在空气中的传播速度。
如所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，其特征在于，信号激光束到光电探测器的距离ΔL1不仅补偿了信号激光束与加工激光束的时间差，还补偿了信号激光转换成脉冲电信号、光电探测器输出脉冲电信号、脉冲电信号触发ICCD相机的时间延迟。
一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统，其特征在于，在激光器输出口放置一面分束镜(S)，将初始激光束(B1)分成信号激光束(B2)与加工激光束(B3)。分束镜S与初始激光束的夹角为45°，加工激光束(B3)照射到反射镜后到聚焦装置达到样品；信号激光束(B2)垂直入射进光电探测器。光电探测器连接ICCD相机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在调节激光加工过程与ICCD相机电子快门曝光先后顺序的同时，解决了超快激光加工过程中因超快激光出光时间不稳定造成的ICCD相机电子快门无法精确同步激光加工过程的问题。发明在不改动原始激光束聚焦条件及不影响加工所需激光能量的基础上，实现ICCD相机电子快门曝光与激光加工过程的时间同步，为分析超快激光与物质相互作用的演化过程提供了有效的时间序列保障。
附图说明
图1为光电信号同步超快激光与ICCD相机装置图；
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
为解决现有超快激光加工过程与ICCD相机电子快门曝光同步的问题。本发明公开了一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，将初始激光束分束成信号激光束及加工激光束，通过将信号激光转变为脉冲电信号及调节激光传播距离的方式，实现ICCD相机电子快门曝光与激光加工过程的时间同步。
其具体包括：
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
步骤1、针对波长1064nm、脉冲宽度10ps、功率100W的超短脉冲激光，在激光器输出口放置一面对应激光波长1064nm的分束镜(S)，将初始激光束(B1)分成信号激光束(B2)与加工激光束(B3)。分束镜S与初始激光束的夹角为45°，对初始激光束的透射率和反射率比值为99:1。激光功率计测得透射光束功率为99W,透射光束作为加工激光束并通过原有聚焦装置，保证加工激光束的聚焦尺寸及激光加工过程需要的激光能量；激光功率计测得反射光束功率为1W,反射光束作为信号激光束，垂直入射进光电探测器。
步骤2、加工激光束经反射镜反射后通过原有聚焦装置后用于加工样品；信号激光束垂直入射进光电探测器，光电探测器接收信号激光束的第一个脉冲并且转换为脉冲电信号，其中脉冲电信号具有大于5V电压，且上升沿宽度小于30ps。光电探测器连接ICCD相机，并将转换后的脉冲电信号作为开始信号触发ICCD相机电子快门曝光进行超快激光加工过程的图像捕捉。
步骤3、根据ICCD相机捕捉的图像内容判断ICCD相机电子快门曝光过程与激光加工过程的先后工作顺序。如第一张图像有激光加工内容或图像始终无法显示内容，记为激光加工顺序在前。如第一张照片无内容而后续照片显示加工激光的内容，记为ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前。
步骤4、针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，记录ICCD相机开始工作时间(t1＝0ns)及第一幅显示激光加工图像的时间(t2＝8ns),则ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差为Δt＝t2-t1＝8ns。
步骤5、针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，根据步骤4计算的时间差Δt，调节信号激光束到光电探测器的距离，通过延长信号激光束到光电探测器距离(ΔL1＝Δt×v0＝0.24m)的方式补偿ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差,实现ICCD相机电子快门曝光过程与超快激光加工过程的同步。信号激光束到光电探测器的延长距离ΔL1不仅补偿了信号激光束与加工激光束的时间差，还补偿了信号激光转换成脉冲电信号、光电探测器输出脉冲电信号、脉冲电信号触发ICCD相机的时间延迟。
步骤6、针对激光加工顺序在前的情况，需要缩短信号激光到光电探测器的距离(ΔL1)或延长加工激光的传播光程(ΔL2)，直到第一张照片无内容而后续照片显示加工激光信息为止，此时ICCD相机电子快门曝光顺序在激光之前；根据步骤4、5完成ICCD相机电子快门曝光过程与超快激光加工过程的同步触发。
本发明公开了一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统及方法，在不改动原始激光束聚焦条件及不影响加工所需激光能量的基础上，调节激光加工过程与ICCD相机电子快门曝光先后顺序的同时，解决了超快激光加工过程中因超快激光出光时间不稳定造成的ICCD相机电子快门无法精确同步激光加工过程的问题。将初始激光束分束成信号激光束及加工激光束，通过将信号激光转变为脉冲电信号及调节激光传播距离的方式，实现ICCD相机电子快门曝光与激光加工过程的时间同步，为分析超快激光与物质相互作用的演化过程提供了有效的时间序列保障。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的方法，其特征在于，
包括下列步骤：
步骤1、在激光器输出口放置一面对应激光波长的分束镜(S)，将初始光束(B1)分成信号激光束(B2)与加工激光束(B3)；
步骤2、加工激光束经反射镜反射后通过原有聚焦装置后用于加工样品；信号激光束垂直入射进光电探测器，光电探测器接收信号激光束的第一个脉冲并且转换为脉冲电信号；光电探测器连接ICCD相机，并将转换后的脉冲电信号作为开始信号触发ICCD相机电子快门曝光进行超快激光加工过程的图像捕捉；
步骤3、根据ICCD相机捕捉的图像内容判断ICCD相机电子快门曝光过程与激光加工过程的先后工作顺序；如第一张图像有激光加工内容或图像始终无法显示加工内容，记为激光加工顺序在前；如第一张照片无内容而后续照片显示加工激光的内容，记为ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前；
步骤4、针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，记录ICCD相机开始工作时间(t1)及第一幅显示激光加工图像的时间(t2),则ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差为Δt；
步骤5、针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，根据步骤4计算的时间差Δt，通过延长信号激光束到光电探测器距离(ΔL1)的方式补偿ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差Δt,实现ICCD相机电子快门曝光过程与超快激光加工过程的同步；
步骤6、针对激光加工顺序在前的情况，需要缩短信号激光到光电探测器的距离(ΔL1)或延长加工激光的传播光程(ΔL2)，直到第一张照片无内容而后续照片显示加工激光信息为止，此时ICCD相机电子快门曝光顺序在激光之前；根据步骤4、5完成ICCD相机电子快门曝光过程与超快激光加工过程的同步触发。
2.根据权利要求1所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的方法，其特征在于，分束镜S放置夹角与初始激光束成45°，对初始激光束的透射率和反射率比值为99:1以上，其中透射光束作为加工激光束并通过原有聚焦装置，保证加工激光束的聚焦尺寸及激光加工过程需要的激光能量；反射光束作为信号激光束，垂直入射进光电探测器。
3.根据权利要求1所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的方法，其特征在于，垂直入射进光电探测器的信号激光束的第一个脉冲率先被转化输出为脉冲电信号，脉冲电信号具有大于5V电压，且上升沿宽度小于30ps；确保脉冲电信号触发ICCD相机开始工作。
4.根据权利要求1所述的一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的方法，其特征在于，针对ICCD相机电子快门曝光工作顺序在前的情况，ICCD相机电子快门曝光与激光加工之间的时间差为Δt＝t2-t1；信号激光束到光电探测器的距离ΔL1＝Δt×v0,其中v0为光在空气中的传播速度。
5.一种光电信号同步超快激光与ICCD相机的系统，其特征在于，在激光器输出口放置一面分束镜(S)，将初始激光束(B1)分成信号激光束(B2)与加工激光束(B3)；分束镜S与初始激光束的夹角为45°，加工激光束(B3)照射到反射镜后到聚焦装置达到样品；信号激光束(B2)垂直入射进光电探测器；光电探测器连接ICCD相机。
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