CN111250870A - 一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法 - Google Patents

一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法 Download PDF

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Abstract

一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，先选定非单层材料的监测谱线，再在fs激光器加工非单层材料的过程中，每束激光激发的等离子体光由单色仪收集并筛选出与监测谱线同等波长的光，再将筛选出的光的光强度经PMT转换成电流脉冲信号，然后由后续电路对电流脉冲信号进行处理，再依据处理结果对fs激光器进行控制，以对下一束激光进行调整，依次循环操作，直至非单层材料中的第一层材料被击穿，实现穿孔。本设计不仅灵敏度较强，而且能够实现自动化，工作效率较高。

Description

一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体光谱监测工艺，属于fs激光器加工领域，尤其涉及一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法。
背景技术
飞秒激光加工过程中，存在很多层状材料结构(包括空腔类结构)，需要在材料表层进行制孔、挖槽而不损伤二层材料或空腔对壁面。目前，常用的加工方式是控制聚焦后的飞秒激光进行旋切扫描并配合法向进给最终实现整个激光制孔或挖槽的目的。但该方式存在缺陷：对于多层材料，一旦表层材料加工完成时，由于激光器无法及时停止，很容易会造成二层材料或空腔对壁区域的损伤。此外由于孔型及加工工艺等原因，无法做到孔底所有区域同时穿透，因而，为了保证孔底孔径符合要求，即使在孔底部分区域已经穿透的情况下，依然需要继续加工，从而加重二层材料或对壁面的损伤。为此，需要对fs激光器的加工进行监测。
目前，fs激光器加工的实时监测主要采用CCD拍摄加工面图像，人为识别加工完成度来实现，该种监测方式存在反应灵敏度差、二层损伤严重、无法实现自动化、生产效率低等缺陷。
因此，急需一种自动监测技术，对高频脉冲激光的每束激光的加工状态进行监测，从而指导后续激光束的行为，从而实现第二层材料或对壁面的无损加工。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的灵敏度较差、无法实现自动化的缺陷与问题，提供一种灵敏度较强、能够实现自动化的fs激光器加工非单层材料的实时监测方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，包括以下步骤：
第一步，先选定非单层材料的监测谱线，该监测谱线是一种等离子体光谱线；
第二步，在fs激光器加工非单层材料的过程中，每束激光激发的等离子体光由单色仪收集并筛选出与监测谱线同等波长的光，再将筛选出的光的光强度经PMT转换成电流脉冲信号，然后由后续电路对电流脉冲信号进行处理，再依据处理结果对fs激光器进行控制，以对下一束激光进行调整，依次循环操作，直至非单层材料中的第一层材料被击穿，实现穿孔。
所述后续电路对电流脉冲信号进行处理是指：后续电路根据电流脉冲信号的高低判断第一层材料是否穿透。
所述非单层材料为多层材料时，以第二层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线；
所述非单层材料为空腔类结构时，以第一层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线。
所述选定非单层材料的监测谱线是指：先搭建激光诱导击穿光谱技术系统，再模拟制孔过程，然后由光谱仪记录每束激光所产生的等离子体光谱，再画出第一层材料被击穿前后，即穿孔前后的等离子体光谱图，然后对比等离子体光谱图的变化，以选出监测谱线。
所述监测谱线的选择标准包括：谱线强度较高，谱线周围无其他干扰峰，谱线强度在穿孔后变化较为明显。
所述激光诱导击穿光谱技术系统包括fs激光器、反射镜、二向色镜、聚焦镜、非单层材料、集光器、光谱仪、数字延时器与计算机，所述fs激光器向反射镜发出激光束，反射镜向二向色镜反射出激光束，反射出的激光束经过二向色镜后被聚焦镜聚焦到非单层材料的表面，以诱导非单层材料产生等离子体，形成等离子体光，等离子体光经过聚焦镜后被二向色镜反射到集光器，集光器经光纤与光谱仪的一端相连接，光谱仪的另一端、数字延时器、计算机、fs激光器都相互连接。
所述光谱仪的积分时间与单色仪的积分时间相同。
所述单色仪的一端与PMT的一端相连接，PMT的另一端、后续电路、fs激光器都相互连接；
所述fs激光器向反射镜发出激光束，反射镜向二向色镜反射出激光束，反射出的激光束经过二向色镜后被聚焦镜聚焦到非单层材料的表面，以诱导非单层材料产生等离子体，形成等离子体光，等离子体光经过聚焦镜后被二向色镜反射到集光器，集光器经光纤与单色仪的另一端相连接。
所述fs激光器、单色仪、PMT、后续电路都在激光器的同步信号下实现同步。
当非单层材料中的第一层材料在二维尺度上的某一点第一次被监测到被击穿后，算法自动标记该击穿位置，之后扫描到该位置时自动关闭fs激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法中，主要包括两个步骤，前一个步骤先选定监测谱线，后一个步骤即可依据该监测谱线对激光器进行控制——筛选出与监测谱线同等波长的光，再将筛选出的光的光强度经PMT转换成电流脉冲信号，然后由后续电路对电流脉冲信号进行处理，再依据处理结果对fs激光器进行控制，因为PMT的响应时间远比光谱仪的ICCD快的多，而且单光谱又大大压缩了数据量，后续电路读取PMT电流脉冲信号远比计算机读取光谱仪数据快的多，所以本方法可以迅速做出反应，足以对fs激光器加工做到真正意义上的单光束监测，尤其适用于50kHz的fs激光器。因此，本发明的灵敏度较强。
2、本发明一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法中，后续电路依据PMT发出的电流脉冲信号对fs激光器进行调控，整个过程可以完全自动化，无需人工监视，从而大大提高了fs激光器加工技术的工作效率。因此，本发明能够实现自动化，工作效率较高。
3、本发明一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法中，可以对高频脉冲激光的每束激光的加工状态进行监测，以指导下一束激光的行为，从而实现第二层材料或对壁面的无损加工，不仅适应于多层材料，而且适用于空腔类结构，此外，本发明还可以实现穿透区域自动判断，激光脉冲自动控制的全闭环，最终实现多层材料或对壁无损伤加工的目的。因此，本发明不仅能确保多层材料或对壁无损伤加工，而且自动性较强。
附图说明
图1是本发明的运行示意图。
图2是本发明中采用的激光诱导击穿光谱技术系统的结构示意图。
图中：fs激光器1、激光束2、反射镜3、二向色镜4、聚焦镜5、非单层材料6、集光器7、光纤8、光谱仪9、数字延时器10、计算机11、单色仪12、PMT13、后续电路14。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1与图2，一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，包括以下步骤：
第一步，先选定非单层材料6的监测谱线，该监测谱线是一种等离子体光谱线；
第二步，在fs激光器1加工非单层材料的过程中，每束激光激发的等离子体光由单色仪12收集并筛选出与监测谱线同等波长的光，再将筛选出的光的光强度经PMT13转换成电流脉冲信号，然后由后续电路14对电流脉冲信号进行处理，再依据处理结果对fs激光器1进行控制，以对下一束激光进行调整，依次循环操作，直至非单层材料6中的第一层材料被击穿，实现穿孔。
所述后续电路14对电流脉冲信号进行处理是指：后续电路14根据电流脉冲信号的高低判断第一层材料是否穿透。
所述非单层材料6为多层材料时，以第二层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线；
所述非单层材料6为空腔类结构时，以第一层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线。
所述选定非单层材料6的监测谱线是指：先搭建激光诱导击穿光谱技术系统，再模拟制孔过程，然后由光谱仪9记录每束激光所产生的等离子体光谱，再画出第一层材料被击穿前后，即穿孔前后的等离子体光谱图，然后对比等离子体光谱图的变化，以选出监测谱线。
所述监测谱线的选择标准包括：谱线强度较高，谱线周围无其他干扰峰，谱线强度在穿孔后变化较为明显。
所述激光诱导击穿光谱技术系统包括fs激光器1、反射镜3、二向色镜4、聚焦镜5、非单层材料6、集光器7、光谱仪9、数字延时器10与计算机11，所述fs激光器1向反射镜3发出激光束2，反射镜3向二向色镜4反射出激光束2，反射出的激光束2经过二向色镜4后被聚焦镜5聚焦到非单层材料6的表面，以诱导非单层材料6产生等离子体，形成等离子体光，等离子体光经过聚焦镜5后被二向色镜4反射到集光器7，集光器7经光纤8与光谱仪9的一端相连接，光谱仪9的另一端、数字延时器10、计算机11、fs激光器1都相互连接。
所述光谱仪9的积分时间与单色仪12的积分时间相同。
所述单色仪12的一端与PMT13的一端相连接，PMT13的另一端、后续电路14、fs激光器1都相互连接；
所述fs激光器1向反射镜3发出激光束2，反射镜3向二向色镜4反射出激光束2，反射出的激光束2经过二向色镜4后被聚焦镜5聚焦到非单层材料6的表面，以诱导非单层材料6产生等离子体，形成等离子体光，等离子体光经过聚焦镜5后被二向色镜4反射到集光器7，集光器7经光纤8与单色仪12的另一端相连接。
所述fs激光器1、单色仪12、PMT13、后续电路14都在激光器的同步信号下实现同步。
当非单层材料6中的第一层材料在二维尺度上的某一点第一次被监测到被击穿后，算法自动标记该击穿位置，之后扫描到该位置时自动关闭fs激光器1。
本发明的原理说明如下：
现有技术中，fs激光器加工的实时监测主要采用CCD拍摄加工面图像，人为识别加工完成度来实现，该种监测方式存在反应灵敏度差、二层损伤严重、无法实现自动化、生产效率低等缺陷。为此，本发明对高频脉冲激光的每束激光的加工状态进行监测，以指导后续激光束的行为，从而实现二层材料或对壁面的无损加工。
本发明根据激光诱导击穿光谱原理，在一定的实验条件、一定的元素含量范围内，某一元素发射谱线净强度I与其含量C有幂数关系:
I＝aCb，式中，a是与蒸发、激发有关的仪器常数，b是与自吸收有关的常数，当实验条件不变时，某一元素的特征谱线强度只与元素含量C有关。
在激光加工中，当激光束焦点不在材料表面时，等离子体光谱强度还会发生一定的变化，例如小孔限域增强效应使光谱强度增加。一般的，当孔深或槽深超过1mm时，等离子体会出现限域增强效应，等离子体光谱强度会出现1～2倍的增加，当孔深超过最佳深度后等离子体光谱强度又会回落。假设一层材料的主量元素为锌，二层材料的主量元素为铁，则在激光打穿一层材料后，Zn谱线强度会出现一个急剧下降的现象，Fe谱线强度会出现一个急剧上升的现象。
为此，本发明根据样本结构的不同选择不同层的主量元素作为特征谱线，其标准是：当非单层材料6为多层材料时，选择第二层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线；当非单层材料6为空腔类结构时，选择第一层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线。
此外，在实际运用中，本发明采用的单色仪还可被特征波长的滤光片所代替。
本发明中的PMT是指光电倍增管。
实施例1：
航天发动机涡轮叶片气孔膜在fs激光器1加工时的对壁防护，叶片的材料为镍DD5，空腔间距为2mm。在涡轮叶片激光制孔前，会往空气腔加入石英粉末或刚玉粉末作为防护材料，加入石英粉末后的涡轮叶片可以看作三明治结构，然而，如果在激光穿孔后无法及时停止激光器扫描穿透区域，仍然会造成不同程度的对壁面损伤。
本发明包括以下两大步骤：
第一步，确定监测谱线：
参见图2，如图搭建激光诱导击穿光谱技术系统图，fs激光器1调成低频率模式(以光谱仪9足以记录每束激光所诱导的等离子体光谱所需时间为准，如设置成50Hz)，模拟制孔过程，光谱仪9记录每束激光所产生的等离子体光谱，光谱仪9的参数设置为，延时0ns，积分时间500ns。
利用origin软件画出小孔穿透第一层材料前后的等离子体光谱图，对比光谱图变化，根据NIST数据库，以选定监测谱线，选定的原则为谱线强度较高，谱线周围无其他干扰峰，谱线强度在穿孔后下降较为明显，本实施例选择的监测谱线为396.15nm，监测谱线强度下降十倍左右；
第二步，搭建自动化系统：
参见图1，如图搭建系统图，每束激光激发的等离子体光由单色仪12收集并筛选出396.15nm处的光，经PMT13转换成电流脉冲信号，经后续电路14转化成高低电平用来调整fs激光器1的工作状态。此外，结合fs激光器1的控制程序，在二维尺度上的某一点第一次监测到击穿后，算法自动标记位置，之后扫描到该位置时自动关闭激光器。
综上所述，在fs激光器1加工航天发动机涡轮叶片气孔膜时，利用本设计，实现了防护材料的微小损伤，对面壁的无损伤。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于所述实时监测方法包括以下步骤：
第一步，先选定非单层材料(6)的监测谱线，该监测谱线是一种等离子体光谱线；
第二步，在fs激光器(1)加工非单层材料的过程中，每束激光激发的等离子体光由单色仪(12)收集并筛选出与监测谱线同等波长的光，再将筛选出的光的光强度经PMT(13)转换成电流脉冲信号，然后由后续电路(14)对电流脉冲信号进行处理，再依据处理结果对fs激光器(1)进行控制，以对下一束激光进行调整，依次循环操作，直至非单层材料(6)中的第一层材料被击穿，实现穿孔。
2.根据权利要求1所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：所述后续电路(14)对电流脉冲信号进行处理是指：后续电路(14)根据电流脉冲信号的高低判断第一层材料是否穿透。
3.根据权利要求1或2所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：
所述非单层材料(6)为多层材料时，以第二层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线；
所述非单层材料(6)为空腔类结构时，以第一层材料的主量元素的特征谱线作为监测谱线。
4.根据权利要求1或2所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：所述选定非单层材料(6)的监测谱线是指：先搭建激光诱导击穿光谱技术系统，再模拟制孔过程，然后由光谱仪(9)记录每束激光所产生的等离子体光谱，再画出第一层材料被击穿前后，即穿孔前后的等离子体光谱图，然后对比等离子体光谱图的变化，以选出监测谱线。
5.根据权利要求4所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：所述监测谱线的选择标准包括：谱线强度较高，谱线周围无其他干扰峰，谱线强度在穿孔后变化较为明显。
6.根据权利要求4所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：所述激光诱导击穿光谱技术系统包括fs激光器(1)、反射镜(3)、二向色镜(4)、聚焦镜(5)、非单层材料(6)、集光器(7)、光谱仪(9)、数字延时器(10)与计算机(11)，所述fs激光器(1)向反射镜(3)发出激光束(2)，反射镜(3)向二向色镜(4)反射出激光束(2)，反射出的激光束(2)经过二向色镜(4)后被聚焦镜(5)聚焦到非单层材料(6)的表面，以诱导非单层材料(6)产生等离子体，形成等离子体光，等离子体光经过聚焦镜(5)后被二向色镜(4)反射到集光器(7)，集光器(7)经光纤(8)与光谱仪(9)的一端相连接，光谱仪(9)的另一端、数字延时器(10)、计算机(11)、fs激光器(1)都相互连接。
7.根据权利要求6所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：所述光谱仪(9)的积分时间与单色仪(12)的积分时间相同。
8.根据权利要求1或2所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：所述单色仪(12)的一端与PMT(13)的一端相连接，PMT(13)的另一端、后续电路(14)、fs激光器(1)都相互连接；
所述fs激光器(1)向反射镜(3)发出激光束(2)，反射镜(3)向二向色镜(4)反射出激光束(2)，反射出的激光束(2)经过二向色镜(4)后被聚焦镜(5)聚焦到非单层材料(6)的表面，以诱导非单层材料(6)产生等离子体，形成等离子体光，等离子体光经过聚焦镜(5)后被二向色镜(4)反射到集光器(7)，集光器(7)经光纤(8)与单色仪(12)的另一端相连接。
9.根据权利要求8所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：所述fs激光器(1)、单色仪(12)、PMT(13)、后续电路(14)都在激光器的同步信号下实现同步。
10.根据权利要求1或2所述的一种fs激光器加工非单层材料的实时监测方法，其特征在于：当非单层材料(6)中的第一层材料在二维尺度上的某一点第一次被监测到被击穿后，算法自动标记该击穿位置，之后扫描到该位置时自动关闭fs激光器(1)。
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