CN112935530A - 一种确定脉冲激光焦点位置的方法及装置 - Google Patents

一种确定脉冲激光焦点位置的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种确定脉冲激光焦点位置的方法及装置，其方法包括检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置；确定脉冲激光焦点位置的装置包括：脉冲激光、不锈钢测试块、光传感器、单片机以及三维移动平台；经聚焦后的脉冲激光照射在不锈钢测试块上；不锈钢测试块安装在三维移动平台上；光传感器安装在不锈钢测试块上并连接单片机，用于检测脉冲激光处于正负离焦位置时的激光能量密度刚达到烧蚀阈值时激光烧蚀不锈钢测试块表面所产生的烧蚀散射光，经过计算后控制三维移动平台移动至焦点位置；本公开可以解决在激光加工中如何简便、快速地确定脉冲激光的焦点位置，提升激光对焦以及加工的效率问题。

Description

一种确定脉冲激光焦点位置的方法及装置
技术领域
本公开属于激光微纳加工技术领域，尤其涉及一种确定脉冲激光焦点位置的方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。
激光加工技术已在航空航天、医疗卫生、汽车工业以及轨道交通等多领域广泛应用。在激光加工的技术领域中，特别利用激光进行物体表面改性和微纳结构制造，影响物体表面质量的重要因素之一就是激光焦点与待加工物体表面的距离，考虑到现有激光器或者待加工物体一般安装在高精度移动平台上，因此上述问题转变成当采用不同焦距的聚焦透镜时，如何简单、快速地寻找激光焦点的问题。
现阶段，确定激光焦点位置的方法主要采用电容传感器式、人工调教以及机械式。利用电容传感器确定焦点位置的方法多用于激光切割加工，其原理是测量待加工物体表面与激光切割头之间距离变化而导致的电容变化，从而获取激光焦点位置信息。电容传感器容易因激光切割时释放的大量热量而无法使用，且要求被切割工件为导电材料。人工调教的方式是通过调整激光器与加工表面的距离进行多次烧蚀测试，获取一系列烧蚀坑之后在显微镜下观察，确定最小的热影响区的烧蚀坑对应的焦点。这种方法工序繁琐，效率低。机械式确定激光焦点位置的方法不适用于刚性差、薄壁的外形不规则零件。因此，高质高效的确定激光焦点位置是保障和提升激光加工效率和质量的首要条件。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种确定脉冲激光焦点位置的方法及装置。
第一方面，本公开提供了一种快速确定脉冲激光焦点位置的方法，包括：
检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置；
取开始位置和消失位置之间的中心点为脉冲激光焦点位置。
第二方面，本公开提供了一种快速确定脉冲激光焦点位置的装置，采用如第一方面所述的确定脉冲激光焦点位置的方法，包括脉冲激光发射器，不锈钢测试块，三维移动平台，光传感器和单片机；
所述脉冲激光发射器用于将脉冲激光出射光照射至不锈钢测试块表面；
所述三维移动平台用于承载不锈钢测试块，并带动不锈钢测试块在一定速率下沿设定方向进行移动；
所述光传感器用于检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置；
所述单片机用于计算开始位置和消失位置之间的中心点，将中心点做为脉冲激光焦点位置。
与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：
1、本公开提出了利用光传感器检测激光烧蚀散射光开始和消失位置来取中计算激光焦点的方法，达到简单、快速地确定激光焦点位置的目的。解决了激光微纳加工时快速让脉冲激光聚焦到被加工材料表面的难题，为保证激光加工质量提供了可靠的对焦装置和方法。
2、本公开确定脉冲激光焦点位置的装置包括：脉冲激光、不锈钢测试块、光传感器、单片机以及三维移动平台；经聚焦后的脉冲激光照射在不锈钢测试块上；不锈钢测试块安装在三维移动平台上；光传感器安装在不锈钢测试块上并连接单片机，用于检测脉冲激光处于正负离焦位置时的激光能量密度刚达到烧蚀阈值时激光烧蚀不锈钢测试块表面所产生的烧蚀散射光，经过计算后控制三维移动平台移动至焦点位置，可以解决在激光加工中如何简便、快速地确定脉冲激光的焦点位置，提升激光对焦以及加工的效率问题。
3、本公开通过光传感器实时检测经聚焦透镜聚焦后的脉冲激光照射在不锈钢测试块表面的烧蚀散射光信息，达到高效、便捷地确定激光焦点位置，从而解决如何简单、快速地确定激光焦点位置，特别是在更换不同焦距的聚焦透镜后的焦点位置时进一步提升激光加工效率和质量的关键性问题；能够简单快速、高质高效的确定具有不同焦距的聚焦透镜的激光光束的焦点位置；操作方法简单、成本低廉、针对不同波长的脉冲激光器有普适性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例提供的一种确定激光焦点位置的装置的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的一束平行激光经聚焦透镜聚焦后在焦点两侧对称的示意图；
图3为本公开实施例提供的材料烧蚀的区域示意图；
图4为本公开实施例提供的烧蚀散射光区域示意图；
其中，1、脉冲激光，2、不锈钢测试块，3、三维移动平台，4、光传感器，5、单片机,6、焦点，7、上烧蚀位置(开始位置)，8、下烧蚀位置(消失位置)。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
如图1所示，一种快速确定脉冲激光焦点位置的方法，包括：
检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置；
取开始位置和消失位置之间的中心点为脉冲激光焦点位置。
所述烧蚀散热光为脉冲激光的光斑作用在被加工材料上达到烧蚀阈值时产生的光。
作为一种实施方式，所述检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置包括：
将聚焦后的脉冲激光照射至测试块；
在一定速率下沿设定方向移动测试块，所述设定方向与测试块的被照射面具有倾斜角度；
获取脉冲激光在测试块上产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置。
作为优选的一种实施方式，所述测试块具有倾斜面，脉冲激光照射至测试块的倾斜面，并沿水平方向一定速率下移动测试块，使得脉冲激光照射至测试块的倾斜面上产生无光—烧蚀散射光—无光的光强变化过程，使得可以检测烧蚀散射光出现位置和消失位置，进而取开始位置和消失位置之间的中心点为脉冲激光焦点位置。
其中，所述测试块为不锈钢测试块，不锈钢测试块安装在三维运动平台上，通过三维运动平台带动不锈钢测试块在一定速率下沿设定方向移动。
所述测试块为三角形结构，三角形结构的一侧面具有凸台，聚焦后的脉冲激光照射开始时照射在凸台上，随着测试块移动设定距离，脉冲激光照射至测试块三角结构的斜面上。
三维移动平台右移带动不锈钢测试块右移，直到不锈钢测试块的斜面上出现激光烧蚀散射光，此时达到开始位置，记录此时时刻为t1。随着不锈钢测试块继续向右移动，激光光束会沿着斜面下坡方向持续烧蚀材料，直烧蚀散射光消失，达到消失位置，记录此时时刻为t2。根据时刻t1、时刻t2、设定速率和测试块斜面的倾斜角度计算光焦点位置。
具体的，首先经过聚焦后的脉冲激光照射在不锈钢测试块一侧凸台表面上，根据焦距粗略估算，确保激光焦点在凸台表面以下、下烧蚀位置在凸台表面以上，然后三维移动平台上移带动不锈钢测试块上移，直至产生烧蚀散射光，即达到下烧蚀位置。
三维移动平台右移带动不锈钢测试块右移，直到不锈钢测试块的斜面上出现激光烧蚀散射光，触发光传感器，此时达到上烧蚀位置，光传感器连接的单片机记录此时时刻为t1，随着不锈钢测试块继续向右移动，激光光束会沿着斜面下坡方向持续烧蚀材料，直到材料表面的激光能量密度小于材料表面的烧蚀阈值，达到下烧蚀位置，此时烧蚀散射光消失，光传感器检测到烧蚀散射光消失，单片机记录此时时刻为t2。
根据以下公式即可计算出焦点位置：凸台高度h，不锈钢测试块匀速向右移动的速度v，不锈钢测试块斜面倾斜角度α，△L为三维移动平台向上移动距离，计算后，将三维移动平台上移距离△L，此时激光焦点就聚焦三维移动平台上表面，然后每次激光加工时候把Z轴移动平台下移一个工件厚度，即可保证焦点在被加工工件的上表面。
Figure BDA0003037469260000061
根据所述移动距离△L确定激光的焦点位置。
具体原理如下：当激光焦点在材料表面以下时，随着材料表面的上移，照射在材料表面的激光光斑越来越小，直到激光能量密度超过被加工材料烧蚀阈值，材料开始被烧蚀，可称为激光光束的下烧蚀位置，此时辐射出较强的烧蚀散射光；若激光光束继续上移，激光光斑会继续减小直到焦点在材料表面，此时材料去除率最高，也是激光加工预期对焦的位置；随后材料表面继续上移，材料表面的光斑会逐渐增大，能量密度也会逐渐减小直到小于被加工材料烧蚀阈值，此时称为激光光束的上烧蚀位置，烧蚀散射光也消失。由于激光光束在焦点两侧是对称的，因此在材料表面上移过程中，烧蚀散射光开始产生和消失的位置也是关于焦点对称的。本实施例提出了利用光传感器检测激光烧蚀散射光开始和消失位置来取中计算激光焦点的方法。为达到简单、快速地确定激光焦点位置的目的。
实施例2
一种快速确定脉冲激光焦点位置的装置，采用实施例所述的确定脉冲激光焦点位置的方法，包括脉冲激光发射器1，不锈钢测试块2，三维移动平台3，光传感器4和单片机5；
所述脉冲激光发射器用于将脉冲激光出射光照射至不锈钢测试块表面；
所述三维移动平台用于承载不锈钢测试块，并带动不锈钢测试块在一定速率下沿设定方向进行移动；
所述光传感器用于检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置；
所述单片机用于计算开始位置和消失位置之间的中心点，将中心点做为脉冲激光焦点位置。
具体的，将不锈钢测试块2安装在三维移动平台3上，根据焦距进行粗略估算，调整三维移动平台3的位置使不锈钢测试块2的一侧凸台2-1(高度为20mm)位于脉冲激光1(选用20W激光器作为光源，波长为1064nm，设置功率为2W、频率为20KHz；聚焦透镜焦距为160mm)的下方，同时下烧蚀位置8在一侧凸台2-1表面以上。不锈钢测试块可采用316L型号。
三维移动平台3上移带动不锈钢测试块2上移，直到一侧凸台2-1上的光传感器4(检测光照度的范围为0.01Lux～83000Lux，工作温度范围为-40℃～85℃，具备中断系统，设置触发阈值为100Lux)检测到烧蚀散射光时停止上移。
三维移动平台3匀速右移带动不锈钢测试块2匀速右移，直到不锈钢测试块2的斜面2-2(斜面倾斜角度为45°)出现烧蚀散射光，触发光传感器4，此时处于如图3所示的上烧蚀位置7，安装在斜面2-2的光传感器4(在图1中的斜面2-2列举了5个光传感器4，需要说明的是，此处光传感器4的数量不局限于此，此处不再一一列举)连接的单片机5记录此时时刻为t1。
三维移动平台3继续带动不锈钢测试块2右移，脉冲激光1会沿着斜面2-2下坡方向持续烧蚀材料，烧蚀散射光最强、去除率最高时为如图2所示的焦点6位置。
三维移动平台3继续带动不锈钢测试块2右移，脉冲激光1会沿着斜面2-2下坡方向持续烧蚀材料，直到材料表面的激光能量密度小于材料表面的烧蚀阈值，此时到达如图3所示的下烧蚀位置8，烧蚀散射光消失触发光传感器，此时单片机5记录此时时刻为t2，停止三维移动平台。
根据以下公式计算三维移动平台上移距离△L，
Figure BDA0003037469260000081
其中，h为凸台2-2的高度，三维移动平台3匀速右移的速度v，不锈钢测试块2的斜面2-2倾斜角度α，表1为实施例中确定激光焦点位置的结果
根据移动距离△L确定激光的焦点位置。此时激光焦点就聚焦三维移动平台上表面，然后每次激光加工时候把三维移动平台下移一个工件厚度，即可保证焦点在被加工工件的上表面。
三维平台匀速右移过程中，不锈钢测试块2的斜面2-2上坡部分首先到达上烧蚀位置7，继续移动达到焦点6和下烧蚀位置8，最后激光能量密度低于材料表面烧蚀阈值，烧蚀散射光消失。如图4所示，产生烧蚀散射光区域i，无烧蚀散射光区域为ii。
表1确定激光焦点位置信息
t1/s t2/s △L/mm 焦点位置情况
1 36.8 45.865 三维移动平台向上移动55.865mm
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，包括：
检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置；
取开始位置和消失位置之间的中心点为脉冲激光焦点位置。
2.如权利要求1所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，所述检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置包括：
将聚焦后的脉冲激光照射至测试块；
在一定速率下沿设定方向移动测试块，所述设定方向与测试块的被照射面具有倾斜角度；
获取脉冲激光在测试块上产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置。
3.如权利要求2所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，测试块向设定方向移动，直到测试块的斜面上出现激光烧蚀散射光，此时达到开始位置。
4.如权利要求3所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，随着测试块继续向设定方向移动，激光光束会沿着斜面下坡方向持续烧蚀材料，直烧蚀散射光消失，达到消失位置。
5.如权利要求4所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，根据达到开始位置的时刻、达到消失位置的时刻、设定速率和测试块斜面的倾斜角度计算光焦点位置。
6.如权利要求2所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，所述测试块为三角形结构。
7.如权利要求6所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，所述三角形结构的一侧面具有凸台，聚焦后的脉冲激光照射开始时照射在凸台上，随着测试块移动设定距离，脉冲激光照射至测试块三角结构的斜面上。
8.如权利要求2所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，所述测试块具有倾斜面，脉冲激光照射至测试块的倾斜面，并沿水平方向一定速率下移动测试块，使得脉冲激光照射至测试块的倾斜面上产生无光—烧蚀散射光—无光的光强变化过程。
9.如权利要求2所述的快速确定脉冲激光焦点位置的方法，其特征在于，所述测试块为不锈钢测试块，不锈钢测试块安装在三维运动平台上，通过三维运动平台带动不锈钢测试块在一定速率下沿设定方向移动。
10.一种快速确定脉冲激光焦点位置的装置，采用如权利要求1-9任一所述的确定脉冲激光焦点位置的方法，包括脉冲激光发射器，不锈钢测试块，三维移动平台，光传感器和单片机；
所述脉冲激光发射器用于将脉冲激光出射光照射至不锈钢测试块表面；
所述三维移动平台用于承载不锈钢测试块，并带动不锈钢测试块在一定速率下沿设定方向进行移动；
所述光传感器用于检测脉冲激光产生烧蚀散热光的开始位置和消失位置；
所述单片机用于计算开始位置和消失位置之间的中心点，将中心点做为脉冲激光焦点位置。
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