CN112433365A - 一种基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法 - Google Patents

一种基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法。本发明的目的是解决现有光束指向控制系统存在结构复杂，探测器安装位置偏差和空气中灰尘的干扰对探测精度影响较大的技术问题，提供一种基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法。本发明提供的基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法，光束经过锥镜后形成贝塞尔光束，能将激光束的角度偏移量和位置偏离量分别测量，同时因为贝塞尔光束无衍射和长焦深的特性，中心焦点的焦深长度远长于普通凸透镜聚焦的焦深，使得系统对探测器相对于锥镜的安装位置精度要求降低，空气中灰尘微粒对探测器干扰更小，探测结果更稳定；并且结构简单，体积小。

Description

一种基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法
技术领域
本发明涉及一种光束指向控制系统及其偏差修正方法，具体涉及一种基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法。
背景技术
由于激光加工的非接触性以及对材料的无选择性，使其可以完成普通机械加工无法完成的精密机械与光学元器件制造，逐渐覆盖了越来越多的微纳图案加工领域。其中，特别是飞秒激光加工所展现出的加工结构无重铸层、无微裂纹、无再结晶优势，极大地降低了制造器件的机械应力和表面损坏。但在实际飞秒激光微纳图案加工过程中，加工系统中不可避免地存在光束指向漂移，这极大地阻碍了激光超高分辨率加工制造的能力。
光束指向漂移主要分为两部分：其一，在激光器端，因为飞秒短脉冲激光器的内部结构复杂，对环境温度的变化非常敏感，即使在激光器完成预热的情况下，环境温度的轻微变化也常常导致出射光束产生不容忽略的角度漂移。其二，使用飞秒激光加工机床在对目标零件进行加工时，激光加工头必须精确移动到指定位置才能进行加工，一般来说，对于五轴加工机床，激光束从发出至到达工作面，至少需要经过一个位移轴和多面反射镜，在激光器位移过程中，反射镜必然会随运动轴的移动而产生震动，导致焦点位置的光斑质量退化与抖动，从而影响加工质量和精度。故要满足严苛的加工参数要求，必须解决温度变化、激光器指向漂移、平台震动等原因导致的光束漂移和光束抖动。因此，光束指向控制系统变得尤为重要，它在光路传输末端通过控制导光介质的外在姿态变化或是内部属性变化使出射光束发生偏转，从而达到控制出射光束指向、抑制抖动等目的，可以极大地改善微纳激光加工的加工质量和精度。
现有光束指向控制系统如图1所示，由两个快速偏转反射镜01，两个位置敏感探测器(分辨率通常为百纳米级)02，两个分光镜03，一个聚焦透镜04组成。为了能够实时地补偿由机械振动引起的激光束指向偏差，该系统通过位置敏感探测器02探测得到光束的振动，并且将位置数据发送给上位机，通过具体的光路分析计算出光束的位置，以及两个快速偏转反射镜01需要补偿的偏差角度，再通过上位机控制快速偏转反射镜01转动和移动，实时补偿振动产生的位置偏移和角度偏移，从而使光束达到基本稳定。但是，这种光束指向控制系统的结构相对复杂，同时探测器02的安装位置偏差和空气中灰尘的干扰都会对探测精度产生较大的影响。
发明内容
本发明的目的是解决现有光束指向控制系统存在结构复杂，探测器安装位置偏差和空气中灰尘的干扰对探测精度影响较大的技术问题，提供一种基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种基于锥镜的光束指向控制系统，其特殊之处在于：包括上位机、锥镜、探测器，以及沿激光传播方向依次设置的第一快速偏转反射镜、第二快速偏转反射镜和分光镜；
所述分光镜的一个出射光路直接出射主激光束，另一个出射光路出射采样激光束；
所述锥镜和探测器依次设置于采样激光束所在出射光路上，且探测器设置在锥镜所形成贝塞尔光束的焦深范围内；
所述上位机连接探测器，并发出控制信号分别控制第一快速偏转反射镜和第二快速偏转反射镜。
进一步地，所述锥镜和探测器之间还设有缩放组件，缩放组件包括第一聚焦镜和第二聚焦镜，第一聚焦镜的焦距f1和第二聚焦镜的焦距f2的比值f1/f2为缩放倍率Γ，Γ>1。
进一步地，所述探测器的分辨率为微米级。
本发明还提供一种上述基于锥镜的光束指向控制系统的偏差修正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)激光采样
入射激光束经第一快速偏转反射镜和第二快速偏转反射镜依次反射后，被分光镜分为两束，一束作为主激光束直接出射，另一路作为采样激光束，采样激光束被锥镜整形为贝塞尔光束后，在探测器的探测面上显示位于中心的焦点光斑a，以及位于焦点光斑a外周的旁瓣光环b；
2)角度和位置偏差修正
A)角度偏差修正
探测器探测到焦点光斑a位置，上位机根据焦点光斑a位置与设计焦点光斑a位置计算焦点光斑a位置改变量，根据焦点光斑a位置改变量计算采样激光束的角度偏移量，根据角度偏移量分别计算第一快速偏转反射镜和第二快速偏转反射镜的偏转量，并对第一快速偏转反射镜和第二快速偏转反射镜分别进行转动调整，以实时修正角度偏差；
B)位置偏差修正
通过视觉识别算法分析旁瓣光环b的能量分布趋势，根据能量分布趋势和旁瓣光环b与焦点光斑a的相对距离，计算采样激光束的位置偏移量，根据位置偏移量计算第一快速偏转反射镜和第二快速偏转反射镜的运动位移量，并对第一快速偏转反射镜和第二快速偏转反射镜同时进行位置调整，以实时修正位置偏差。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的基于锥镜的光束指向控制系统及其偏差修正方法，光束经过锥镜后形成贝塞尔光束，能将激光束的角度偏移量和位置偏离量分别测量，同时因为贝塞尔光束无衍射和长焦深的特性，中心焦点的焦深长度远长于普通凸透镜聚焦的焦深，使得系统对探测器相对于锥镜的安装位置精度要求降低，且空气中灰尘微粒对探测器干扰更小，探测结果更稳定。
2、本发明对探测器的分辨率要求为微米级，现有光束指向控制系统对探测器分辨率的要求为百纳米级，即本发明降低了对于探测器的分辨率要求，节约了成本。
3、本发明相对于现有的光束指向控制系统结构更加简单，体积更小。
4、本发明利用锥镜聚焦后旁瓣光环b(外环干涉环)的能量分布判断激光束的位置偏移量，简化了现有光束指向控制系统中需要两个高精度探测器分别探测不同偏移分量的结构，使得系统体积更小。
附图说明
图1为现有光束指向控制系统的结构示意图，图中未示出上位机；
图2为本发明实施例中贝塞尔光束产生原理图；
图3为本发明实施例的结构示意图；
图4为本发明实施例中探测器探测面成像的示意图；
图5为本发明实施例增加缩放组件后的结构示意图，图中未示出上位机；
附图标记说明：
图1中：
01-快速偏转反射镜、02-探测器、03-分光镜、04-聚焦透镜；
图2至图5中：
1-第一快速偏转反射镜、2-第二快速偏转反射镜、3-分光镜、4-锥镜、5-探测器、6-上位机、7-第一聚焦镜、8-第二聚焦镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种基于锥镜的光束指向控制系统，首先在激光光路中设置两面快速偏转反射镜用来微调激光束的角度和位置偏移量，在快速偏转反射镜后使用分光镜3分出一束光用作为采样激光束，用来进行激光束偏移量的判断。分束镜3分出的采样激光束经过锥镜4后，被整形成为贝塞尔光束，在贝塞尔光束的焦深范围内设置一个高分辨率探测器5，用来探测光束的位置和能量分布。
贝塞尔光束的产生原理如图2所示，光束通过锥镜4后分被为两束光，同时两束光存在一定角度，相互干涉，最终形成一束中间存在一个高亮度中心焦点，周围存在多个圆环的能量分布状态，在实际情况下，因为输入光束能量不是无穷大，贝塞尔光束随着光环离中心焦点距离的增加光环能量密度迅速下降，一般来说，只有第一层光环可以较明显地观测到。
上述的基于锥镜的光束指向控制系统，如图3所示，包括上位机6、探测器5、锥镜4，以及沿激光传播方向依次设置的第一快速偏转反射镜1、第二快速偏转反射镜2和分光镜3；所述分光镜3的一个出射光路直接出射主激光束，另一个出射光路出射采样激光束；所述锥镜4和探测器5依次设置于采样激光束所在出射光路上，且探测器5设置在锥镜4所形成贝塞尔光束的焦深范围内；如图4所示，所述贝塞尔光束在探测器5的探测面上显示位于中心的能量很强的圆形焦点光斑a，以及位于焦点光斑a外周的能量较弱的旁瓣光环b(干涉环)；所述上位机6连接探测器5，并发出控制信号分别控制第一快速偏转反射镜1和第二快速偏转反射镜2。所述探测器5的分辨率为微米级。
如图5所示，所述锥镜(4)和探测器(5)之间还设有缩放组件，用于对贝塞尔光束进行缩束，缩放组件包括第一聚焦镜(7)和第二聚焦镜(8)，第一聚焦镜(7)的焦距f1和第二聚焦镜(8)的焦距f2的比值为缩放倍率Γ，Γ＝f1/f2，满足Γ>1时，可以减小贝塞尔光束焦点光斑a的直径，同时增强焦点光斑a的能量密度。
入射前高斯光束中心瓣直径D0(单位：μm)与焦深长度Zmax(单位：mm)，经过缩放组件后，贝塞尔光束区域中心瓣(焦点光斑a)直径Dfinal(单位：μm)与焦深长度Zfinal(单位：mm)的关系如下：
Dfinal＝D0/Γ
Zfinal＝Zmax/(Γ2)
上述基于锥镜的光束指向控制系统的偏差修正方法，包括以下步骤：
1)激光采样
入射激光束经第一快速偏转反射镜1和第二快速偏转反射镜2依次反射后，被分光镜3分为两束，一束作为主激光束直接出射，另一路作为采样激光束，采样激光束被锥镜4整形为贝塞尔光束后，在探测器5的探测面上呈现焦点光斑a和旁瓣光环b；如图4所示，在理想情况下(不存在角度和位置偏差的情况下)，旁瓣光环b均匀地分布在中心的焦点光斑a周围；当采样激光束在光路传输中受到外部干扰，会产生位置和角度的偏移；
2)角度和位置偏差修正
A)角度偏差修正
当入射采样激光束的入射角度发生改变时，焦点光斑a的位置也会随之发生改变。探测器5探测到焦点光斑a位置，上位机6根据焦点光斑a位置与设计焦点光斑a位置计算焦点光斑a位置改变量，根据焦点光斑a位置改变量计算采样激光束的角度偏移量，根据采样激光束的角度偏移量分别计算第一快速偏转反射镜1和第二快速偏转反射镜2的偏转量，并对第一快速偏转反射镜1和第二快速偏转反射镜2分别进行转动调整，以实时修正角度偏差；
B)位置偏差修正
当入射采样激光束的入射位置产生位置偏差时，在通过锥镜4后，旁瓣光环b的能量分布会产生偏移，焦点光斑a的位置不受采样激光束位置偏移的影响。通过视觉识别算法分析旁瓣光环b的能量分布趋势，根据能量分布趋势和旁瓣光环b与焦点光斑a的相对距离，计算采样激光束的位置偏移量，根据采样激光束的位置偏移量计算第一快速偏转反射镜1和第二快速偏转反射镜2的运动位移量，并对第一快速偏转反射镜1和第二快速偏转反射镜2同时进行位置调整，以实时修正位置偏差；最终实现输出光束的稳定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于锥镜的光束指向控制系统，其特征在于：包括上位机(6)、探测器(5)、锥镜(4)，以及沿激光传播方向依次设置的第一快速偏转反射镜(1)、第二快速偏转反射镜(2)和分光镜(3)；
所述分光镜(3)的一个出射光路直接出射主激光束，另一个出射光路出射采样激光束；
所述锥镜(4)和探测器(5)依次设置于采样激光束所在出射光路上，且探测器(5)设置在锥镜(4)所形成贝塞尔光束的焦深范围内；
所述上位机(6)连接探测器(5)，并发出控制信号分别控制第一快速偏转反射镜(1)和第二快速偏转反射镜(2)。
2.根据权利要求1所述的基于锥镜的光束指向控制系统，其特征在于：所述锥镜(4)和探测器(5)之间还设有缩放组件，缩放组件包括第一聚焦镜(7)和第二聚焦镜(8)，第一聚焦镜(7)的焦距f1和第二聚焦镜(8)的焦距f2的比值f1/f2为缩放倍率Γ，Γ>1。
3.根据权利要求2所述的基于锥镜的光束指向控制系统，其特征在于：所述探测器(5)的分辨率为微米级。
4.一种权利要求1至3任一所述基于锥镜的光束指向控制系统的偏差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)激光采样
入射激光束经第一快速偏转反射镜(1)和第二快速偏转反射镜(2)依次反射后，被分光镜(3)分为两束，一束作为主激光束直接出射，另一路作为采样激光束，采样激光束被锥镜(4)整形为贝塞尔光束后，在探测器(5)的探测面上显示位于中心的焦点光斑a，以及位于焦点光斑a外周的旁瓣光环b；
2)角度和位置偏差修正
A)角度偏差修正
探测器(5)探测到焦点光斑a位置，上位机(6)根据焦点光斑a位置与设计焦点光斑a位置计算焦点光斑a位置改变量，根据焦点光斑a位置改变量计算采样激光束的角度偏移量，根据角度偏移量分别计算第一快速偏转反射镜(1)和第二快速偏转反射镜(2)的偏转量，并对第一快速偏转反射镜(1)和第二快速偏转反射镜(2)分别进行转动调整，以实时修正角度偏差；
B)位置偏差修正
通过视觉识别算法分析旁瓣光环b的能量分布趋势，根据能量分布趋势和旁瓣光环b与焦点光斑a的相对距离，计算采样激光束的位置偏移量，根据位置偏移量计算第一快速偏转反射镜(1)和第二快速偏转反射镜(2)的运动位移量，并对第一快速偏转反射镜(1)和第二快速偏转反射镜(2)同时进行位置调整，以实时修正位置偏差。
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