CN112404706B - 激光加工检测装置及方法、激光加工设备及调焦控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光加工检测装置及方法、激光加工设备及调焦控制方法，涉及激光加工技术领域，能够在对被加工件进行无损的精密加工时，对被加工件加工表面进行瞬态过程的高时间分辨能力的检测成像。包括第一激光束，通过第一偏振旋转器的激光束经第一合光镜透射后用于射向被加工件进行激光加工。第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束分别经衍射光栅后通过第二合光镜合束，并通过第二偏振旋转器后在第一合光镜与第一激光束合束入射被加工件，被加工件反射的合束激光束经过第一合光镜分离第一激光束后经第二偏振旋转器再由第二合光镜分束为第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束，分别入射接收器和经衍射光栅后入射接收器。

Description

激光加工检测装置及方法、激光加工设备及调焦控制方法

技术领域

本申请涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工检测装置及方法、激光加工设备及调焦控制方法。

背景技术

激光精密加工是高端制造业中需求非常广的一种精密加工技术，对于薄膜材料、生物材料、功能材料、超精密器件等方面的器件加工都有较为广泛和深入的应用。

激光精密加工的过程中，还需要对于被加工器件进行在线观察，以便能够在精密加工过程中便于更为精确的控制和调整加工参数，以及监控加工状态和加工质量。现有技术中对于激光加工的在线检测，通常都是基于CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）或COMS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体器件）成像，采用拍摄图像的方式可对待加工器件的加工面进行直观的观察，但是这种检测方式难以对激光加工过程中的某一刻特定时刻或状态进行准确观察，而且，无法清晰灵敏的捕捉到超快的动态过程，尤其是对于微纳尺度的观测对象进行成像，即使动态过程很慢，仍然无法提供足够的时间分辨率实现清晰的成像，因此，也就导致无法通过在线检测直观的呈现出加工机理和加工缺陷形成的过程等，从而不能通过在线检测对微纳尺度的观测对象进行清晰的成像，并从中得知缺陷产生的细节以及找到降低材料缺陷的工艺改进方向。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种激光加工检测装置及方法、激光加工设备及调焦控制方法，能够通过激光对薄膜材料、生物材料、功能材料、超精密器件等特殊材料的被加工件进行无损的精密加工时，对被加工件加工表面进行瞬态过程的高时间分辨能力的检测成像。

本申请实施例的一方面，提供了一种激光加工检测装置，包括激光加工模组，激光加工模组包括用于出射第一激光束的第一激光源，在第一激光源的出射光路上设置有第一偏振旋转器，通过第一偏振旋转器的激光束经第一合光镜透射后用于射向被加工件，对被加工件进行激光加工。还包括双模成像模组，第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束分别经衍射光栅后通过第二合光镜合束，并通过第二偏振旋转器后在第一合光镜与第一激光束合束入射被加工件，被加工件反射的合束激光束经过第一合光镜分离第一激光束后经第二偏振旋转器再由第二合光镜分束为第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束，第二超短脉宽激光束入射接收器，第三超短脉宽激光束经衍射光栅后入射接收器。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，双模成像模组还包括第二激光源和第三激光源，第二激光源用于出射第二超短脉宽激光束，第三激光源用于出射第三超短脉宽激光束。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，第二超短脉宽激光束为超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束为超快连续成像激光束。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，在第一激光源的出射光路上还包括时空整形器，时空整形器设置于第一激光源的出光侧，用于对第一激光束进行光斑时空整形。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，第一激光源的出射光路上还设置有聚焦器，聚焦器用于对合束激光束聚焦后入射被加工件。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，在第一激光源的出射光路上还设置有第一分光镜，第一分光镜设置于第一激光源和第一偏振旋转器之间；第一分光镜的分光方向设置有对焦成像光路，对焦成像光路包括第一耦合器以及显微成像器，经第一耦合器耦合处理的激光束由显微成像器接收成像。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，第一分光镜的分光方向还设置有第二分光镜，对焦成像光路位于第二分光镜的一路分光光路，第二分光镜的另一路分光光路设置有测距光路，测距光路包括依次设置的第二耦合器、调焦镜和四象限探测器。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，本申请实施例的激光加工检测装置还包括设置于被加工件所在位置处的补光源，补光源用于朝向被加工件出射白光。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，双模成像模组还包括4f成像镜组，4f成像镜组包括设置在衍射光栅与第一合光镜之间的第一成像透镜和第二成像透镜，第一成像透镜和第二成像透镜的焦距相等，且第一成像透镜和第二成像透镜的间距为第一成像透镜的二倍焦距。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，激光加工检测装置的器件之间的光信号通过光纤传输。

本申请实施例提供的激光加工检测装置，包括激光加工模组和双模成像模组，激光加工模组中第一激光源出射的第一激光束依次经第一偏振旋转器和第一合光镜后入射被加工件，对被加工件的加工面进行精密激光加工。双模成像模组中提供的第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束分别经过衍射光栅的展宽调制后，经第二合光镜合束后，通过第二偏振旋转器后在第一合光镜处与第一激光束合束入射被加工件，被加工件反射的合束激光束经第一合光镜分离后，第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束的合束光经第二偏振旋转器后再由第二合光镜分束为第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束，第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束分别出射，第二超短脉宽激光束入射接收器，第三超短脉宽激光束经衍射光栅后入射接收器，接收器分别接收携带被加工件加工面的加工信息的第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束进行双模成像，通常第二超短脉宽激光束采用超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束采用超快连续成像激光束，因此，接收器能够获得激光微纳加工环境下的快速动态特性，能够获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像，从而实现对激光加工焦点处材料动态的实时精确超快成像。

本申请实施例的另一方面，提供了一种激光加工设备，包括前述任意一项的激光加工检测装置，还包括激光加工台，激光加工台用于承载被加工件，激光加工台还传动连接有驱动装置，通过驱动装置可至少调节激光加工台在第一激光束的入光方向的位置移动。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，在第一激光源的出射光路上还设置有第一分光镜，第一分光镜设置于第一激光源和第一偏振旋转器之间；第一分光镜的分光方向还设置有第二分光镜，对焦成像光路位于第二分光镜的一路分光光路，第二分光镜的另一路分光光路设置有测距光路，测距光路包括依次设置的第二耦合器、调焦镜和四象限探测器。激光加工设备还包括控制器，控制器分别与驱动装置以及四象限探测器电连接，用于根据四象限探测器的探测信号控制驱动装置工作。

本申请实施例提供的激光加工设备，包括前述任意一项的激光加工检测装置，能够实现前述的激光加工检测装置的功能和效果，而且，激光加工设备还包括激光加工台，被加工件承载于激光加工台上进行精密激光加工，在激光加工台上还传动连接有驱动装置，通过驱动装置能够至少在沿第一激光束的入光方向调节激光加工台的位置，从而对被承载于激光加工台上的被加工件的加工面进行对焦调整，从而便于调节以提高精密激光加工的加工效率和加工良率。

本申请实施例的又一方面，提供了一种激光加工检测方法，应用于前述任意一项的激光加工检测装置，方法包括：向被加工件的加工面提供第一激光束进行激光加工；向被加工件的加工面提供第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束，并通过接收器分别接收经被加工件的加工面反射的第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束，其中，第二超短脉宽激光束为超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束为超快连续成像激光束。

本申请实施例提供的激光加工检测方法，能够通过第一激光束入射被加工件，对被加工件的加工面进行精密激光加工。且通过第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束入射被加工件并携带被加工件加工面的加工信息后反射由接收器双模接收成像，第二超短脉宽激光束采用超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束采用超快连续成像激光束，因此，接收器能够获得激光微纳加工环境下的快速动态特性，能够获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像，从而实现对激光加工焦点处材料动态的实时精确超快成像。

本申请实施例的再一方面，提供了一种激光加工调焦控制方法，应用于包括有控制器，激光加工检测装置中包括有测距光路，且测距光路包括依次设置的第二耦合器、调焦镜和四象限探测器，控制器分别与四象限探测器和驱动装置电连接的激光加工设备。方法包括：获取四象限探测器的成像图像；根据四象限探测器的四个象限接收的光强值的比例关系计算加工离焦量；根据加工离焦量控制驱动装置推动激光加工台移动位置。

本申请实施例提供的激光加工调焦控制方法，通过四象限探测器接收携带有被加工件加工面的加工信息的成像图像，由四象限探测器的成像图像中，根据四个象限接收的光强值的比例关系对应计算被加工件加工面的加工离焦量，并根据加工离焦量计算需要调整对焦的方向和距离，根据加工离焦量控制驱动装置，以推动激光加工台移动相应的位置，从而使得被加工件的加工面得到反馈对焦调整，提高精密激光加工的加工效率和加工良率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之一；

图2是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之二；

图3是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之三；

图4是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之四；

图5是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之五；

图6是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之六；

图7是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之七；

图8是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之八；

图9是本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测方法的流程图；

图10是本申请一些实施例中提供的一种激光加工调焦控制方法的流程图。

图标： 100-被加工件；101-第一激光束；11-第一激光源；12-第一偏振旋转器；13-第一合光镜；14-时空整形器；15-聚焦器；16-第一分光镜； 202-第二超短脉宽激光束；21-衍射光栅；22-第二偏振旋转器；23-第二合光镜；24-接收器；25-第二激光源；26-第一成像透镜；27-第二成像透镜；303-第三超短脉宽激光束；31-第三激光源；41-第一耦合器；42-显微成像器；51-第二分光镜；52-第二耦合器；53-调焦镜；54-四象限探测器；61-补光源。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

超快成像技术利用飞秒激光作为光源，在激光加工时，观测同一微纳瞬变现象，能够连续地捕捉到微纳环境下快速动态特性，又能够在实验的重要时刻获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像。

现有技术中，对于精密激光加工过程中的在线观察和成像，通常采用相机拍摄的方式，但是这种方式难以对激光加工过程中的某一特定时刻或状态进行准确的抓取和观察，特别是，无法灵敏准确的捕捉到超快的动态过程并清晰显示，由于不能摄取足够的时间分辨率实现清晰的成像，也就无法通过在线监测的方式呈现微纳尺度的观测对象的加工机理和加工缺陷，无法进行对应的工艺改进和缺陷补偿。

基于此，本申请实施例的一方面，提供一种激光加工检测装置，图1为本申请实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之一，如图1所示，激光加工检测装置包括激光加工模组，激光加工模组包括用于出射第一激光束101的第一激光源11，在第一激光源11的出射光路上设置有第一偏振旋转器12，通过第一偏振旋转器12的激光束经第一合光镜13透射后用于射向被加工件100，对被加工件100进行激光加工。激光加工检测装置还包括双模成像模组，第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303分别经衍射光栅21后通过第二合光镜23合束，并通过第二偏振旋转器22后在第一合光镜13与第一激光束101合束入射被加工件100，被加工件100反射的合束激光束经过第一合光镜13分离第一激光束101后经第二偏振旋转器22再由第二合光镜23分束为第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303，第二超短脉宽激光束202入射接收器24，第三超短脉宽激光束303经衍射光栅21后入射接收器24。

本申请实施例中对于被加工件不做具体限定，示例的，可以为常规的激光加工或精密的激光加工工件，特别是针对于薄膜材料、生物材料、功能材料、超精密器件等特殊材料的高要求的激光无损加工，采用本申请实施例的激光加工检测装置能够得到对被加工件100的加工表面进行瞬态过程的高时间分辨能力的检测成像。

本申请实施例提供的激光加工检测装置中，激光加工模组的第一激光束101可以为飞秒激光、皮秒激光、纳秒激光或者其他脉冲宽度的激光，还可以为连续激光。本领域技术人员可以根据被加工件100的激光加工需求进行对应选择和设置。以下以采用飞秒激光束作为第一激光束101对被加工件100进行无损激光加工为例进行详细说明。

第一激光源11出射的飞秒激光束首先经过第一偏振旋转器12进行光束偏振态的转换，示例的，第一偏振旋转器12可以为四分之一波片，四分之一波片是一种双折射单晶波片，能够通过对光束中寻常光（o光）和非常光（e光）的相位差调整，使得对应第一激光束两次经过四分之一波片后激光的偏振态旋转90度，从而在第一激光束经被加工件100反射后的反射光束在第一分光镜16处被反射进入测距光路。而且，通过第一偏振旋转器12将线偏振光转为圆偏振光，有利于克服被加工件100的材料对于激光束吸收的各向异性，从而能够提高对于被加工件100的激光加工质量。经过第一偏振旋转器12偏振态转换的激光束经第一合光镜13透射后用于射向被加工件100进行无损激光加工。双模成像模组中第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303分别经衍射光栅21的脉冲展宽后通过第二合光镜23合束，通过第二合光镜23对第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303合束后合束光通过第二偏振旋转器22做偏振转换，同样的，第二偏振旋转器22也可以为四分之一波片，通过第二偏振旋转器后的合束光在第一合光镜13处再与第一激光束101合束，形成的合束光共同入射被加工件100，其中，合束光中的第一激光束101用于对被加工件100进行精密的激光加工，而第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303通过被加工件100的反射，携带有被加工件100加工位置处的加工信息的合束激光束返回第一合光镜13处，经过第一合光镜13分离出经被加工件100反射的第一激光束101，其他反射的合束光经第二偏振旋转器22再由第二合光镜23分束为两路，一路为第二超短脉宽激光束202，另一路为第三超短脉宽激光束303，第二超短脉宽激光束202入射接收器24，第三超短脉宽激光束303经衍射光栅21后入射接收器24，接收器24分别接收携带被加工件100的加工位置处的加工信息的第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303并进行解析成像，从而实现双模成像，其中，第二超短脉宽激光束202通常采用超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303通常采用超快连续成像激光束，因此，双模成像模组的接收器24接收两种激光束，包括激光超快突发成像和激光超快连续成像，能够连续的捕捉到激光微纳加工环境下快速动态特性，且在加工的重要时刻，能够获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像。通过在光路的末端（第一合光镜13处）将第一激光束101、第二超短脉宽激光束202以及第三超短脉宽激光束303进行合束后入射被加工件100，能够实现对激光加工焦点位置处加工过程中动态的实时精确超快成像。

需要说明的是，本申请实施例中，对于第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303的激光信号输入来源不做具体限定，例如，可以与第一激光束101共用第一激光源11，通过对第一激光源11中出射的激光束进行脉冲分选，在输出第一激光束101的基础上，提供第二超短脉宽激光束202的超快突发成像激光束，提供第三超短脉宽激光束303的超快连续成像激光束。或者也可以采用其他方式来获得第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303，本申请实施例中对此不做具体限定，只要能够分别提供第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303即可。示例的，以下均以第二超短脉宽激光束202为超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303为超快连续成像激光束为例进行具体说明。超快突发成像激光束和超快连续成像激光束均属于飞秒脉冲宽度的激光束，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要将第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303选择为其他飞秒脉冲宽度的激光束。

此外，本申请实施例中的接收器24是用于接收携带被加工件100的加工位置处的加工信息的各种激光束并进行解析成像的装置，用过对各种激光束的解析成像或者还包括后续的分析，从而得到被加工件100处的准确的加工情况，以便于控制和调节激光加工的工作效果。本申请实施例中对于接收器24的具体表现形式不做具体限定，示例的，能够实现光信号探测解析成像的示波器、摄像机或者其他成像装置均可。

本申请实施例提供的激光加工检测装置，包括激光加工模组和双模成像模组，激光加工模组中第一激光源11出射的第一激光束101依次经第一偏振旋转器12和第一合光镜13后入射被加工件100，对被加工件100的加工面进行精密激光加工。双模成像模组中提供的第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303分别经过衍射光栅21的展宽调制后，经第二合光镜23合束后，通过第二偏振旋转器22后在第一合光镜13处与第一激光束101合束入射被加工件100，被加工件100反射的合束激光束经第一合光镜13分离后，第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303的合束光经第二偏振旋转器22后再由第二合光镜23分束为第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303，第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303分别出射，第二超短脉宽激光束202入射接收器24，第三超短脉宽激光束303经衍射光栅21后入射接收器24，接收器24分别接收携带被加工件100加工面的加工信息的第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303进行双模成像，通常第二超短脉宽激光束202采用超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303采用超快连续成像激光束，因此，接收器24能够获得激光微纳加工环境下的快速动态特性，能够获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像，从而实现对激光加工焦点处材料动态的实时精确超快成像。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，双模成像模组还包括第二激光源25和第三激光源31，第二激光源25用于出射第二超短脉宽激光束202，第三激光源31用于出射第三超短脉宽激光束303。图2是本申请实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之二，请参照图2。第二超短脉宽激光束202为超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303为超快连续成像激光束。

如图2所示，第一激光束101、第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303分别通过各自的激光源激发出射，对于第一激光束101、第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303的类型，如本申请实施例中示例的第二超短脉宽激光束202为超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303为超快连续成像激光束，均可通过相应的激光源直接提供，从而提高激光出射的强度和稳定性。由于第二超短脉宽激光束202为第二激光源25提供的超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303为第三激光源31提供的超快连续成像激光束，接收器24解析的双模成像能够获得激光微纳加工环境下的快速动态特性。

图3为本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之三，如图3所示。在本申请实施例的一种可选的实施方式中，在第一激光源11的出射光路上还包括时空整形器14，时空整形器14设置于第一激光源11的出光侧，用于对第一激光束101进行光斑时空整形。

如图3所示，在第一激光源11的出光侧设置时空整形器14，第一激光束101通过时空整形器14进行激光光斑整形，示例的，对于时空整形器14可以为快轴准直透镜和慢轴准直透镜组成的透镜组，对光斑进行准直和整形，椭圆面柱型快轴准直透镜和双曲面柱型慢轴准直透镜组成透镜组，能够压缩光束在快轴方向和慢轴方向的发散角，实现光斑的准直和整形。当然，除此之外，也可以为根据激光光斑的其他参数要求对应设置的整形镜或者整形镜组作为时空整形器14。

图4为本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之四，如图4所示。在本申请实施例的一种可选的实施方式中，第一激光源11的出射光路上还设置有聚焦器15，聚焦器15用于对合束激光束聚焦后入射被加工件100。

如图4所示，第一激光束101以及第二超短脉宽激光束202、第三超短脉宽激光束303在第一合光镜13处汇合，第一合光镜13将第一激光束101、第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303合束后入射聚焦器15，聚焦器15对合束的激光束进行聚焦后入射被加工件100，聚焦后的合束激光束能够更好的聚焦于被加工件100的加工面，提供较好的对焦状态，使得对被加工件100的无损激光加工效果较佳。通常，聚焦器15可以设置为聚焦镜，或者会聚镜等光学元件。

图5为本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之五，如图5所示。在本申请实施例的一种可选的实施方式中，在第一激光源11的出射光路上还设置有第一分光镜16，第一分光镜16设置于第一激光源11和第一偏振旋转器12之间；第一分光镜16的分光方向设置有对焦成像光路，对焦成像光路包括第一耦合器41以及显微成像器42，经第一耦合器41耦合处理的激光束由显微成像器接收42成像。

如图5所示，为了有助于对加工时的材料选取进行观察，本实施例中，还可以在双模成像模组实现超快成像的基础上，通过对焦成像光路进行显微成像，具体的，在第一激光源11的出射光路上设置第一分光镜16，对焦成像光路设置在第一分光镜16的一个分光方向，对焦成像光路包括第一耦合器41以及显微成像器42，第一激光束101经被加工件100反射回来的光束，经过第一分光镜16分光后的部分分束光入射对焦成像光路，经过第一耦合器41的耦合处理后入射显微成像器42中显微成像。

显微成像和双模成像能够分别从不同的参数需求角度对被加工件100的加工状态通过图像进行体现，便于根据图像调整加工状态或者加工材料，以期提高无损激光精密加工的精度和良率。

图6为本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之六，如图6所示。在本申请实施例的一种可选的实施方式中，第一分光镜16的分光方向还设置有第二分光镜51，对焦成像光路位于第二分光镜51的一路分光光路，第二分光镜51的另一路分光光路设置有测距光路，测距光路包括依次设置的第二耦合器52、调焦镜53和四象限探测器54。

在激光精密加工工艺中，需要使得提供的激光束的焦点聚焦于加工位置，才能够尽可能保证加工的精度和准确性，为了进一步实现高精密度的激光无损加工，本申请实施例的激光加工检测装置中还集成有测距光路。如图6所示，在第一分光镜16的分光方向还设置第二分光镜51，从而将第一分光镜16的分光方向的光束再次分光为两路，其中，对焦成像光路位于第二分光镜51的其中一路分光光路上，第二分光镜51的另一路分光光路为测距光路，测距光路具体包括依次设置的第二耦合器52，调焦镜53和四象限探测器54。经第二分光镜51再次分束的两激光束，一束由对焦成像光路在显微成像器42中显微成像。另一束进入测距光路，首先经第二耦合器52进行光耦合处理，然后通过调焦镜53进行调焦处理后进入四象限探测器54。

其中，调焦镜53可以为柱透镜，柱透镜能够对经过的激光束进行单向汇聚，从而实现对激光束的自动调焦处理，四象限探测器54是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求以四个象限的关系进行排列固定而制成的一种光电探测器件。四象限探测器54接收到激光束后，通过四个象限分别对激光在被加工件100加工面的焦点位置进行测量，从而能够更精确的得出焦点位置的偏移量，根据四象限探测器54检测到的焦点位置偏移量，能够指导如何调节被加工件100与入射激光束之间的位置关系，从而将激光束的焦点调整至准确聚焦于被加工件100的加工面。需要说明的是，四象限探测器54检测到的焦点位置偏移量与被加工件100需调整的方向和位移量之间的关联关系，可以根据本领域技术人员的实际经验，以类似查表的方式进行对应获知后手动调节，或者，也可以根据公式计算直接得出，设置自动控制器件通过程序直接计算处理均可，本申请实施例中对此不作具体限定。

图7为本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之七，如图7所示。在本申请实施例的一种可选的实施方式中，本申请实施例的激光加工检测装置还包括设置于被加工件100所在位置处的补光源61，补光源61用于朝向被加工件100出射白光。

如图7所示，对于对焦成像光路中的显微成像，往往较依赖于环境光照，若环境光照强度较小，则会比较严重的影响到显微成像的清晰程度和成像质量。因此，为了进一步提高对加工时的材料选取的观察能力，对于对焦成像光路的显微成像增加补光源61的设置。补光源61设置在被加工件100所在位置的附近，朝向被加工件100出射白光，用于补光，以提供被加工件100处的环境光强度，从而提高显微成像的成像质量。

需要说明的是，本申请实施例中，对于补光源61出射的光束类型不作具体的限定，示例的，补光源61也可以为朝向被加工件100出射如633nm的红光，反射的红光经过对焦成像光路由显微成像器42接收。

还需要说明的是，本申请实施例的激光加工检测装置中，各个模组之间可以采用同轴成像或傍轴成像技术进行光路的设计和各器件结构、位置的设置，本申请实施例中对此不作具体的限定。在本申请实施例的一种可选的实施方式中，激光加工检测装置的器件之间的光信号通过光纤传输。示例的，采用成像光纤，将显微成像器42的成像光信号通过光纤传导至CCD探测器，以及，在各个模组中的光学元件之间的光信号采用光纤传输，这种柔性传输方式，一方面能够有效的减小光信号传输过程中的光损失，另一方面，光纤传输的方式能够更便于实现远距离的光信号传输或成像，例如，使得对焦成像光路或者还包括测距光路远离被加工件100的加工面。

图8为本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测装置的结构示意图之八，如图8所示。在本申请实施例的一种可选的实施方式中，双模成像模组还包括4f成像镜组，4f成像镜组包括设置在衍射光栅21与第一合光镜13之间的第一成像透镜26和第二成像透镜27，第一成像透镜26和第二成像透镜27的焦距相等，且第一成像透镜26和第二成像透镜27的间距为第一成像透镜26的二倍焦距。

4f成像镜组又称4f成像系统，通常由两个焦距均为f的透镜组成，两个透镜之间的距离为2f，在双模成像模组中加入4f成像镜组的设置，能够使的双模成像模组的结构设置紧凑，从而保证在有限的空间范围内使得激光束能够聚焦于被加工件100的加工面。

本申请实施例的另一方面，提供了一种激光加工设备，包括前述任意一项的激光加工检测装置，还包括激光加工台，激光加工台用于承载被加工件，激光加工台还传动连接有驱动装置，通过驱动装置可至少调节激光加工台在第一激光束101的入光方向的位置移动。

被加工件100用于承载于激光加工台上，以进行无损激光精密加工。如有必要，在被加工件100加工过程中还可以通过限位件或卡接件进行装夹卡持固定。在激光加工检测装置的激光束对被加工件100的加工面进行加工时，若激光束在被加工件100的加工面未实现准确的对焦，可以通过驱动装置带动激光加工台在第一激光束101的入光方向向前或向后移动一定距离，以将激光束的焦点准确对焦在被加工件100的加工面上。其中，判断激光束在被加工件100的加工面上是否准确对焦，可以通过激光加工检测装置中的双模成像模组的成像观察加工过程和被加工件100的加工面的材料特性。

本申请实施例提供的激光加工设备，包括前述任意一项的激光加工检测装置，能够实现前述的激光加工检测装置的功能和效果，而且，激光加工设备还包括激光加工台，被加工件100承载于激光加工台上进行精密激光加工，在激光加工台上还传动连接有驱动装置，通过驱动装置能够至少在沿第一激光束101的入光方向调节激光加工台的位置，从而对被承载于激光加工台上的被加工件100的加工面进行对焦调整，从而便于调节以提高精密激光加工的加工效率和加工良率。

在本申请实施例的一种可选的实施方式中，在第一激光源11的出射光路上还设置有第一分光镜16，第一分光镜16设置于第一激光源11和第一偏振旋转器12之间；第一分光镜16的分光方向还设置有第二分光镜51，对焦成像光路位于第二分光镜51的一路分光光路，第二分光镜51的另一路分光光路设置有测距光路，测距光路包括依次设置的第二耦合器52、调焦镜53和四象限探测器54。激光加工设备还包括控制器，控制器分别与驱动装置以及四象限探测器54电连接，用于根据四象限探测器54的探测信号控制驱动装置工作。

在激光加工检测装置中还包括有测距光路，以及还包括有控制器的激光加工设备中，通过将控制器与测距光路中的四象限探测器54电连接，同时，控制器还与驱动装置电连接，这样一来，当测距光路中的四象限探测器54检测到被加工件100的焦点位置偏移量，控制器能够通过预设程序对被加工件100的焦点位置偏移量进行计算，得到激光加工台应当带动被加工件100向前或向后移动多少距离，然后通过控制器控制驱动装置工作，实现对激光加工台的驱动移动，这样就能够直接使得激光加工设备能够根据测距检测结果反馈控制被加工件100的自动对焦调整。

本申请实施例的又一方面，提供了一种激光加工检测方法，应用于前述任意一项的激光加工检测装置，图9为本申请一些实施例中提供的一种激光加工检测方法的流程图之一，如图9所示，方法包括：

S110、向被加工件100的加工面提供第一激光束101进行激光加工。

S120、向被加工件100的加工面提供第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303，并通过接收器24分别接收经被加工件100的加工面反射的第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303，其中，第二超短脉宽激光束202为超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303为超快连续成像激光束。

可参照前述对于激光加工检测装置的各个结构示意图，向被加工件100的加工面提供第一激光束101，以对被加工件100进行无损激光精密加工，并且向被加工件100的加工面提供第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303，第二超短脉宽激光束202为超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303为超快连续成像激光束，通过接收器24分别接收经被加工件100的加工面反射的超快突发成像激光束和超快连续成像激光束，通过双模成像模组实现对被加工件100的加工表面进行激光加工的同时，能够得到瞬态过程的高时间分辨能力的检测成像。

本申请实施例提供的激光加工检测方法，能够通过第一激光束101入射被加工件100，对被加工件100的加工面进行精密激光加工。且通过第二超短脉宽激光束202和第三超短脉宽激光束303入射被加工件100并携带被加工件100加工面的加工信息后反射由接收器24双模接收成像，第二超短脉宽激光束202采用超快突发成像激光束，第三超短脉宽激光束303采用超快连续成像激光束，因此，接收器24能够获得激光微纳加工环境下的快速动态特性，能够获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像，从而实现对激光加工焦点处材料动态的实时精确超快成像。

本申请实施例的再一方面，提供了一种激光加工调焦控制方法，应用于包括有控制器，激光加工检测装置中包括有测距光路，且测距光路包括依次设置的第二耦合器52、调焦镜53和四象限探测器54，控制器分别与四象限探测器54和驱动装置电连接的激光加工设备。图10为本申请一些实施例中提供的一种激光加工调焦控制方法的流程图，如图10所示，方法包括：

S210、获取四象限探测器的成像图像。

S220、根据四象限探测器的四个象限接收的光强值的比例关系计算加工离焦量；根据加工离焦量控制驱动装置推动激光加工台移动位置。

如图10所示，在激光加工检测装置中还包括有测距光路，以及还包括有控制器的激光加工设备中，通过将控制器与测距光路中的四象限探测器54电连接，同时，控制器还与驱动装置电连接，通过控制器获取测距光路中的四象限探测器54的成像图像，根据四象限探测器54的四个象限接收的光强值的比例关系，能够计算得到检测的被加工件100加工的离焦量，控制器根据加工离焦量控制驱动装置的工作，以使得驱动装置推动激光加工台移动相应的位置，也就使得设置在激光加工台上的被加工件100移动相应的位置，使得激光加工设备能够根据测距检测结果反馈控制被加工件100的自动对焦调整。

本申请实施例提供的激光加工调焦控制方法，通过四象限探测器54接收携带有被加工件100加工面的加工信息的成像图像，由四象限探测器54的成像图像中，根据四个象限接收的光强值的比例关系对应计算被加工件100加工面的加工离焦量，并根据加工离焦量计算需要调整对焦的方向和距离，根据加工离焦量控制驱动装置，以推动激光加工台移动相应的位置，这种方式能够达到亚微米精度的对焦，从而使得被加工件100的加工面得到反馈对焦调整，提高精密激光加工的加工效率和加工良率。

此外，需要说明的是，本申请实施例的激光加工检测装置还可以集成到其他设备内部，实现激光加工和同步检测的功能，本申请实施例中提出的激光加工设备仅为示例的一种体现形式。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种激光加工检测装置，其特征在于，包括：

激光加工模组，所述激光加工模组包括用于出射第一激光束的第一激光源，在所述第一激光源的出射光路上设置有第一偏振旋转器，通过所述第一偏振旋转器的激光束经第一合光镜透射后用于射向被加工件，对所述被加工件进行激光加工；

双模成像模组，第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束分别经衍射光栅后通过第二合光镜合束，并通过第二偏振旋转器后在所述第一合光镜与所述第一激光束合束入射所述被加工件，所述被加工件反射的合束激光束经过所述第一合光镜分离所述第一激光束后经所述第二偏振旋转器再由所述第二合光镜分束为所述第二超短脉宽激光束和所述第三超短脉宽激光束，所述第二超短脉宽激光束入射接收器，所述第三超短脉宽激光束经所述衍射光栅后入射所述接收器；

在所述第一激光源的出射光路上还设置有第一分光镜，所述第一分光镜设置于所述第一激光源和所述第一偏振旋转器之间；

所述第一分光镜的分光方向设置有对焦成像光路，所述对焦成像光路包括第一耦合器以及显微成像器，经所述第一耦合器耦合处理的激光束由所述显微成像器接收成像。

2.根据权利要求1所述的激光加工检测装置，其特征在于，所述双模成像模组还包括第二激光源和第三激光源，所述第二激光源用于出射第二超短脉宽激光束，所述第三激光源用于出射第三超短脉宽激光束。

3.根据权利要求1所述的激光加工检测装置，其特征在于，所述第二超短脉宽激光束为超快突发成像激光束，所述第三超短脉宽激光束为超快连续成像激光束。

4.根据权利要求1所述的激光加工检测装置，其特征在于，在所述第一激光源的出射光路上还包括时空整形器，所述时空整形器设置于所述第一激光源的出光侧，用于对所述第一激光束进行光斑时空整形。

5.根据权利要求1所述的激光加工检测装置，其特征在于，所述第一激光源的出射光路上还设置有聚焦器，所述聚焦器用于对合束激光束聚焦后入射所述被加工件。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的激光加工检测装置，其特征在于，所述第一分光镜的分光方向还设置有第二分光镜，所述对焦成像光路位于所述第二分光镜的一路分光光路，所述第二分光镜的另一路分光光路设置有测距光路，所述测距光路包括依次设置的第二耦合器、调焦镜和四象限探测器。

7.根据权利要求1所述的激光加工检测装置，其特征在于，还包括设置于所述被加工件所在位置处的补光源，所述补光源用于朝向所述被加工件出射白光。

8.根据权利要求1所述的激光加工检测装置，其特征在于，所述双模成像模组还包括4f成像镜组，所述4f成像镜组包括设置在所述衍射光栅与所述第一合光镜之间的第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜的焦距相等，且所述第一成像透镜和所述第二成像透镜的间距为所述第一成像透镜的二倍焦距。

9.根据权利要求1所述的激光加工检测装置，其特征在于，所述激光加工检测装置的器件之间的光信号通过光纤传输。

10.一种激光加工设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的激光加工检测装置，还包括激光加工台，所述激光加工台用于承载被加工件，所述激光加工台还传动连接有驱动装置，通过所述驱动装置可至少调节所述激光加工台在第一激光束的入光方向的位置移动；

所述第一分光镜的分光方向还设置有第二分光镜，对焦成像光路位于所述第二分光镜的一路分光光路，所述第二分光镜的另一路分光光路设置有测距光路，所述测距光路包括依次设置的第二耦合器、调焦镜和四象限探测器；

所述激光加工设备还包括控制器，所述控制器分别与所述驱动装置以及所述四象限探测器电连接，用于根据所述四象限探测器的探测信号控制所述驱动装置工作。

11.一种激光加工检测方法，应用于如权利要求1-9任意一项所述的激光加工检测装置，其特征在于，所述方法包括：

向被加工件的加工面提供第一激光束进行激光加工；

向被加工件的加工面提供第二超短脉宽激光束和第三超短脉宽激光束，并通过接收器分别接收经所述被加工件的加工面反射的所述第二超短脉宽激光束和所述第三超短脉宽激光束，其中，所述第二超短脉宽激光束为超快突发成像激光束，所述第三超短脉宽激光束为超快连续成像激光束。

12.一种激光加工调焦控制方法，应用于如权利要求10所述的激光加工设备，其特征在于，所述方法包括：

获取四象限探测器的成像图像；

根据所述四象限探测器的四个象限接收的光强值的比例关系计算加工离焦量；

根据所述加工离焦量控制驱动装置推动激光加工台移动位置。

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