CN114393313A - 一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工领域，并具体公开了一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法，该装置包括激光器、激光扩束模块、透反镜、二维宽谱扫描镜、宽谱场镜以及三维精密运动平台，还包括等离子体光谱探测器、光谱处理模块以及加工控制模块；激光加工产生的同轴等离子体光谱信号依据光路可逆原理沿激光光路逆向传输，被等离子体光谱探测器实时采集，并在线传输至光谱处理模块实现高速光谱元素成像；根据光谱信号的变化情况与分析处理结果，自动调节或切换激光加工的加工参数及状态，进而实现激光扫描加工的实时在线监测与闭环控制，保证多层复合材料的高精度选择性智能加工，有效提升多层复合材料的激光加工精度和效率。

Description

一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法。

背景技术

多层复合的异质异构材料在高端装备中的作用愈发重要，其精密制造技术是当前器件集成化、小型化、柔性化以及多功能化面临的挑战性问题，尤其是在材料去除方面。例如太阳能电池和电子屏幕中的薄膜电路制备，要求精确去除氧化铟锡导电膜层而不伤及玻璃基体；电子电路中的刚性和柔性PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)电路制作，要求精确去除导电铜层而不伤及环氧树脂和聚酰亚胺基体；医学外科手术对皮肤、骨骼上的病灶进行精密的选择性切除和开颅要求不伤及大脑神精细胞组织；以及各种特性材料的精确开槽和微通道等制备均需要对多层复合材料的一层或数层材料进行精确选择性去除。

在材料去除加工方面，激光已被广泛应用到工业生产中，如激光刻蚀、烧蚀和切割等材料去除加工应用。但是目前激光材料去除加工方法所面临的最大问题是在加工过程中无法快速判断烧蚀、刻蚀或切割材料的深度、材料的去除层是否已经被完全去除、是否存在加工不足形成残留或加工过剩导致基底损伤等现象，进而无法实现材料的选择性加工，特别是在异质异构材料的精密加工领域。

目前解决该问题的途径之一是采用实时在线检测系统检测激光材料去除过程中的状态，如公开专利CN201210105930.4中提出了一种飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置，通过实时在线检测激光加工材料过程中所产生等离子体光谱的不同元素，以判断薄膜去除的状态进而避免基体的损伤；但该装置中光谱检测为傍轴而非与加工光路同轴，光谱信号强度随加工区域变化波动性大，信号稳定性差，难以保证其均一性，导致其检测精度差；同时该装置中的激光加工和光谱检测处于开环状态，不能根据光谱检测结果实时反馈调节激光加工参数或停止激光去除加工，故难以精确控制加工过程中的材料去除量，加工精度低；同时系统加工效率仅依靠位移台运动速度，存在加工惯性，加工效率低；因此该装置存在光谱检测精度差、加工精度和加工效率低的问题，不能满足现有精密加工的需求。公开专利CN201911039022.8中提出了一种叶片热障涂层激光加工实时反馈方法及装置，其将不同层材料所产生的等离子体特征光谱信号强度与对应激光功率比值作为反馈控制信号，进而切换或调整不同的激光加工参数对不同层次的材料进行去除加工；该专利使用了闭环控制以提高加工精度，同时描述了可以采用与加工光路同轴的反射光路收集激光加工过程中的光信号，即实施同轴检测；然而该专利并未对实施同轴检测的所使用的装置、各装置的布置方式等进行详细描述，对加工信号源等离子体光谱的探测模式、检测效率、传递过程未做探索，对三层及以上复合材料的选择性加工及信号辨识未做原理性阐述；其具体实施方式及实施效果未知。

基于上述缺陷和不足，本领域亟需对现有的激光加工装置及方法做出进一步的改进设计，解决现有激光加工装置及方法检测精度差、加工精度和加工效率低的问题，提供一种检测精度、加工精度和加工效率高，并实施闭环控制的激光加工装置及方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法，以解决现有激光加工装置检测精度差、加工精度和加工效率低的问题，提供一种检测精度、加工精度和加工效率高，并实施闭环控制的激光加工装置及方法，因而尤其适用于利用激光进行精密加工的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提出了一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置；该装置包括激光器，还包括沿激光光路依次设置的激光扩束模块、透反镜、二维宽谱扫描镜、宽谱场镜以及三维精密运动平台，此外还包括等离子体光谱探测器、光谱处理模块以及加工控制模块；其中，

激光器用于发射激光以对工件进行加工，根据实际加工材料种类以及去除方式对激光进行选择；

激光扩束模块用于使激光扩束准直，获得更小的聚焦光斑，提高激光加工的能量密度和精度；

透反镜用于反射激光，并用于使同轴逆向入射的等离子体光谱信号透射射出；

二维宽谱扫描镜用于使正向入射的激光偏转，以实现激光对工件的二维扫描，并使逆向入射的等离子体光谱信号沿激光同轴逆向偏转；

宽谱场镜用于实现对激光束的聚焦，并用于透射逆向入射的等离子体光谱信号；

三维精密运动平台用于放置工件，并提供笛卡尔坐标系三个方向的精密运动，以调整工件的位置，以及调节经宽谱场镜聚焦的激光的焦平面与工件表面的相对位置；

等离子体光谱探测器用于同轴检测经透反镜透射射出的等离子体光谱信号，并将等离子体光谱信号传递给光谱处理模块；

光谱处理模块用于接收并分析等离子体光谱探测器传递的等离子体光谱信号，并与设定值进行对比，再将分析结果信号传递给加工控制模块；

加工控制模块与光谱处理模块、激光器、二维宽谱扫描镜及三维精密运动平台电连接，用于接收光谱处理模块的分析结果信号，并控制激光器、二维宽谱扫描镜以及三维精密运动平台，以调节激光参数、控制二维宽谱扫描镜的运动和扫描速度，以及三维精密运动平台的运动，并控制激光器的开启和关闭。

通过以上构思，一方面，通过透反镜、二维宽谱扫描镜以及宽谱场镜实现等离子体光谱信号与激光信号的同轴逆向传播，再通过等离子体光谱探测器对等离子体光谱信号同轴检测，能够实现在激光扫描加工的同时，基于光路可逆原理同步实现扫描加工过程中的等离子体光谱信号同轴成像，实现加工材料在三维空间的高精度元素重建与分析，提高该激光扫描智能加工装置的检测精度，进而提高加工精度；另一方面，通过光谱处理模块对等离子体光谱实时分析，并通过加工控制模块与激光器、二维宽谱扫描镜以及三维精密运动平台形成的闭环系统，实时在线判断激光材料去除加工的进程，进而反馈实时调节或切换激光加工的工艺参数，进一步提高该激光扫描智能加工装置的加工精度，同时提高加工效率。

作为进一步优选的，二维宽谱扫描镜为同时具有激光和等离子体光谱宽波段二维偏转能力的二维偏摆镜组、二维转镜、压电陶瓷偏摆镜组、声光偏转器或电光偏转器。

作为进一步优选的，宽谱场镜为对激光波段和等离子体光谱波段均具透过性的宽波段透镜、远心场镜、物镜或F-Theta镜。

作为进一步优选的，光谱处理模块能够获取材料表面特征光谱波段范围及强度信息，实现加工材料从二维到三维空间成分及含量的高速光谱元素成像；基于光谱仪探测，或闪耀光栅、光学狭缝及脉冲级光电探测器结合的模式，在激光扫描加工过程中同步获取材料表面特征光谱波段范围及强度信息，通过光谱分析模块对采集信息进行实时在线分析，同步实现加工材料表面的高速光谱元素成像，结合三维精密运动平台实现从二维到三维空间的材料元素成分及含量的高精度分析与探测。

作为进一步优选的，光谱处理模块包括光谱仪。

作为进一步优选的，光谱仪为中阶梯光谱仪或切尔尼-特纳光谱仪。

作为进一步优选的，光谱处理模块包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的第一闪耀光栅、第一光学狭缝和第一脉冲级超快光电探测器；该种方式能够实现对等离子体光谱信号的脉冲级高频检测，与激光脉冲频率匹配，进一步提高该装置的检测精度和效率。

作为进一步优选的，光谱处理模块包括沿等离子体光谱信号光路依次设置的n个分光镜和一个反射镜，形成n+1个并联的分光支路，其中n为正整数；第i个分光镜用于在等离子体光谱信号透射的同时向第i个分光支路分光，其中i取值为1到n；反射镜用于使第n个分光镜透射的等离子体光谱信号反射至第n+1个分光支路；每个分光支路均包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的闪耀光栅、光学狭缝和脉冲级超快光电探测器；通过该种方式，能够实现多层材料加工的实时在线高精度检测与表征。

作为进一步优选的，光谱处理模块包括沿等离子体光谱信号光路依次设置的第一分光镜和第二反射镜，形成并联的第一分光支路和第二分光支路；第一分光镜用于在等离子体光谱信号透射的同时向第一分光支路分光；第二反射镜用于使第一分光镜透射的等离子体光谱信号反射至第二分光支路；第一分光支路包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的第二闪耀光栅、第二光学狭缝及第二脉冲级超快光电探测器；第二分光支路包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的第三闪耀光栅、第三光学狭缝和第三脉冲级超快光电探测器。

作为进一步优选的，该激光扫描智能加工装置还包括激光入射方向调节模块；激光入射方向调节模块沿光路设置于激光扩束模块和透反镜之间，用于调节激光射入透反镜的方向。

作为进一步优选的，激光入射方向调节模块包括第一反射镜，该第一反射镜为与激光波长匹配的高反射性平面反射镜。

作为进一步优选的，激光扩束模块为与激光波长匹配的准直扩束镜。

作为本发明的另一方面，本发明提出了一种激光扫描智能加工方法，该方法包括以下步骤：

S1，设定激光加工参数；

S2，进行激光高速扫描加工，并实时在线检测激光加工同步激发的同轴等离子体光谱信号；

S3，将检测的同轴等离子体光谱信号与设定值进行对比，判断是否满足设定条件；若是则执行步骤S2，若否则执行步骤S4；

S4，判断是否存在下一步加工流程，若是则执行步骤S1，若否则停止加工。

作为进一步优选的，在步骤S3中，设定值为需去除材料的特征等离子体光谱波段范围及强度阙值；若检测的等离子体光谱与需去除材料的特征等离子体光谱波段一致，且光谱强度大于强度阙值，判断为是；若检测的等离子体光谱与需去除材料的特征等离子体光谱波段不一致，或检测的等离子体光谱与需去除材料的特征等离子体光谱波段一致但光谱强度小于强度阙值，判断为否。

本发明的基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法，其原理如下：

在加工控制模块的驱动下，激光器发出的激光依次经过激光扩束模块准直扩束后进入透反镜，经透反镜反射后进二维宽谱扫描镜，激光通过二维宽谱扫描镜在二维平面高速扫描，再经过宽谱场镜聚焦，在工件上按照预定的路径进行扫描去除加工；加工过程中产生的同轴等离子体光谱信号根据光路可逆的原理，经宽谱场镜透射，再经过二维宽谱扫描镜反射，由透反镜透射射出；等离子体光谱探测器检测同轴等离子体光谱，经光谱处理模块计算分析和比较后，将信息输入加工控制模块，实时反馈调节激光器、二维宽谱扫描镜及三维精密运动平台。

当激光选择去除多层复合材料的某一层或数层材料时，可根据各层材料含有不同元素的特点，设置每层材料的不同元素的特征等离子体光谱波段范围及强度阙值作为比较值；通过等离子体光谱探测器和光谱处理模块实时在线检测并分析去除该层材料所产生的等离子体光谱信号，一旦光谱信号中元素信息发生变化，或光谱信号中元素信息强度小于强度阙值即判断该层材料已去除，加工控制模块迅速反馈关闭激光器，停止激光去除加工，从而确保下层材料完好无损；或调整切换激光加工参数，继续对下层材料进行去除加工，直至到所需去除层数为止。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.通过透反镜、二维宽谱扫描镜以及宽谱场镜，实现在激光扫描加工的同时，基于光路可逆原理同步实现扫描加工过程中的等离子体光谱同轴成像，提高该激光扫描智能加工装置的检测精度，进而提高加工精度；另一方面，通过光谱处理模块对等离子体光谱实时分析，并通过加工控制模块与激光器、二维宽谱扫描镜及三维精密运动平台形成的闭环系统，对加工进程及加工工艺实时在线调节，进一步提高加工精度，同时提高加工效率。

2.作为上述方案的一个改进，通过使用闪耀光栅、光学狭缝和脉冲级超快光电探测器进行等离子体光谱分析，与激光脉冲频率匹配，进一步提高该装置的检测精度和效率。

3.作为上述方案的再一个改进，通过多个并联的分光支路，每个分光支路均使用闪耀光栅、光学狭缝和脉冲级超快光电探测器进行等离子体光谱分析，实现多层材料加工的实时在线高精度检测与表征。

附图说明

图1是本发明实施例一的示意图；

图2是本发明实施例二的示意图；

图3是本发明实施例三的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

激光器1，准直扩束镜2，第一反射镜3，透反镜4，二维宽谱扫描镜5，宽谱场镜6，工件7，三维精密运动平台8，等离子体光谱探测器9，光谱处理模块10，加工控制模块11，宽谱反射镜片51，光谱仪101，第一闪耀光栅102，第一光学狭缝103，第一脉冲级超快光电探测器104，第二闪耀光栅102’，第二光学狭缝103’，第二脉冲级超快光电探测器104’，第三闪耀光栅102”，第三光学狭缝103”，第三脉冲级超快光电探测器104”，第一分光镜105，第二反射镜106。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在材料去除加工方面，激光已被广泛应用到工业生产中。现有技术中的激光加工装置采用傍轴光谱探测器对不同材料产生的等离子体光谱信号进行检测，进而对激光加工进行控制，然而无论是近场还是远场傍轴光谱探测器，所采集的等离子体光谱信号强度均会受到激光加工区域变化的影响，导致采集的光谱信息强度稳定性变差或信号失真；因此，现有的激光加工装置在加工的精度和效率方面仍存在局限性，不能满足现今精密制造的要求。为了消除采集等离子体光谱信号强度随激光加工区域不同而变化的问题，提高采集信息的稳定性和一致性，本发明采用同轴光谱检测方式，提供了一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法，该装置中采用透反镜、二维宽谱扫描镜以及宽谱场镜，并进行同轴光谱检测，既能够保证加工效果的均匀性，也不影响加工进程，能够从原理性上解决伴轴检测的光谱信号强度随加工区域变化的难题，从而能够有效提高激光扫描智能加工装置的加工精度和加工效率。

图1为本发明实施例一的示意图，如图1中所示，本发明实施例一提供的基于同轴检测的激光扫描智能加工装置包括激光器1，还包括沿激光光路依次设置的激光扩束模块、透反镜4、二维宽谱扫描镜5、宽谱场镜6以及三维精密运动平台8，此外还包括等离子体光谱探测器9、光谱处理模块10以及加工控制模块11；

激光器1用于发射激光以对工件7进行加工；

激光扩束模块用于使激光扩束准直；

透反镜4用于反射激光，并用于使同轴逆向入射的等离子体光谱信号透射射出；

二维宽谱扫描镜5用于使正向入射的激光偏转，以实现激光对工件7的二维扫描，并使逆向入射的等离子体光谱信号沿激光同轴逆向偏转；

宽谱场镜6用于实现对激光束的聚焦，并用于透射逆向入射的等离子体光谱信号；激光在扫描加工时在工件7表面同步激发产生等离子体光谱信号，该等离子体光谱信号依据光路可逆原理逆向射入宽谱场镜；

三维精密运动平台8用于放置工件7，并提供笛卡尔坐标系三个方向的精密运动；

等离子体光谱探测器9用于同轴检测经透反镜4透射射出的等离子体光谱信号，并将信号传递给光谱处理模块10；

光谱处理模块10用于接收并分析等离子体光谱探测器9传递的等离子体光谱信号，并将分析结果信号传递给加工控制模块11；

加工控制模块11与光谱处理模块10、激光器1、二维宽谱扫描镜5及三维精密运动平台8电连接，用于接收光谱处理模块10的分析结果信号，以调节激光参数、控制二维宽谱扫描镜5的运动和扫描速度，以及控制三维精密运动平台8的运动，并控制激光器1的开启和关闭。

通过上述部件的连接，激光对工件7进行扫描加工，并在工件7表面同步激发产生等离子体光谱信号；一方面，通过透反镜4、二维宽谱扫描镜5以及宽谱场镜6，在激光扫描加工的同时，基于光路可逆原理同步实现扫描加工过程中的等离子体光谱同轴成像，实现加工材料在三维空间的高精度元素重建与分析，提高检测精度，进而提高加工精度；另一方面，通过光谱处理模块10对等离子体光谱信号实时分析，并通过加工控制模块11与激光器1、二维宽谱扫描镜5及三维精密运动平台8形成的闭环系统对加工进程及加工工艺实时在线调节，进一步提高加工精度，同时提高加工效率。

下面将对各个部件逐一进行更为具体的说明。

激光器1用于发射激光以切除材料，可根据实际加工材料种类(金属、非金属或多层复合材料)以及去除方式(去除单层材料一定深度或多层材料的去除层数)的需求，针对性的选择各种波长的激光器，从紫外到红外波段的连续或脉冲(纳秒、皮秒和飞秒)激光器；根据加工材料的种类或特性、重复频率和脉宽可调，针对性的选择从微瓦到万瓦级功率激光器。

在实施例一中，激光扩束模块为与激光波长匹配的准直扩束镜2，波长范围覆盖从紫外到红外的宽波段，同时能够2×-20×倍数连续变倍，发散角连续可调；准直扩束镜2使激光光斑放大准直，获得更小的聚焦光斑，提高激光加工的能量密度和精度。

实施例一中还包括激光入射方向调节模块，该激光入射方向调节模块沿光路设置于激光扩束模块和透反镜4之间，用于调节激光射入透反镜4的方向；在本实施例中激光入射方向调节模块包括第一反射镜3，该第一反射镜3为与激光波长匹配的平面反射镜，对指定激光波长具有高反射性，反射率大于90％；第一反射镜3可以依据需要设置若干个，在本实施例一中设置一个。

透反镜4用于反射激光，并用于使同轴逆向入射的等离子体光谱信号透射射出；在实施例一中，透反镜4表面镀波长选择性反射与透过膜层，既能够实现激光波长的高反射性，在改变激光传播方向同时，又能够实现对等离子体光谱宽波段范围的高选择性透过，以实现对等离子体光谱信号的同轴检测；其中激光波段反射率大于60％，光谱波段透过率大于30％。

作为本发明的一个关键部件，二维宽谱扫描镜5用于使正向入射的激光偏转，以控制激光在二维加工平面上的运动轨迹，实现激光对工件7的二维扫描，并使逆向入射的等离子体光谱信号沿激光同轴逆向偏转；二维宽谱扫描镜5为宽谱或多波长反射扫描镜；在实施例一中，二维宽谱扫描镜5内部设置两个宽谱反射镜片51，宽谱反射镜片51表面镀宽谱介质膜，既能够实现对激光波段的高反射性，又能够实现对激光同轴宽谱等离子体光谱波段的高反射性，激光波段和光谱波段反射率大于60％，扫描速度根据加工要求能够在mm/s-m/s范围内调节；在一些实施例中，二维宽谱扫描镜5可以为同时具有激光和等离子体光谱宽波段二维偏转能力的激光振镜、二维偏摆镜组、二维转镜、压电陶瓷偏摆镜组、声光偏转器或电光偏转器。

在实施例一中，宽谱场镜6表面镀宽谱增透膜层，对激光波段和宽谱等离子体光谱波段都具有较高的透过性，激光波段和等离子体光谱波段透过率大于60％；宽谱场镜6的作用是将偏转后的激光聚焦在同一个焦平面上，聚焦光斑常在微米级；采用二维宽谱扫描镜5和宽谱场镜6的组合，能够实现聚焦激光束在二维平面上快速扫描材料去除加工，同时能够保证同轴宽谱等离子体光谱的高透过率；在一些实施例中，宽谱场镜6可以为激光场镜、宽波段透镜、远心场镜、物镜、F-Theta镜等能够使激光聚焦的透镜或透镜组。

三维精密运动平台8用于放置工件7，并提供笛卡尔坐标系三个方向的精密运动；三维精密运动平台8能够调节工件7的位置，以及调节经宽谱场镜6聚焦后激光束的焦平面与工件7表面的相对位置。

等离子体光谱探测器9通过光纤耦合传输系统或空间光传输系统等光学系统，对经透反镜4透射射出的等离子体光谱信号进行实时在线采集，并将光谱信号同步传输至光谱处理模块10。

作为本发明的另一关键部件，光谱处理模块10对等离子体光谱探测器9采集的同轴等离子体光谱信号进行在线分析与处理，将光谱信息与光谱数据库进行高速的分析与比对以实现材料元素辨识，进而根据光谱信息的变化或光谱信息的强度来实时判断多层复合材料中每层材料去除的状态；光谱处理模块10同步将信号比对的处理结果反馈传输给加工控制模块11，根据检测数据信息的变化，对激光加工进行控制，进而实现激光加工与等离子体光谱处理的闭环联动；进一步的，光谱处理模块能够获取材料表面特征光谱波段范围及强度信息，实现加工材料从二维到三维空间成分及含量的高速光谱元素成像；基于光谱仪探测，或闪耀光栅、光学狭缝及脉冲级光电探测器结合的模式，在激光扫描加工过程中同步获取材料表面特征光谱波段范围及强度信息，通过光谱分析模块对采集信息进行实时在线分析，同步实现加工材料表面的高速光谱元素成像，结合三维精密运动平台实现从二维到三维空间的材料元素成分及含量的高精度分析与探测。

在本实施例一中，光谱处理模块10包括光谱仪101，其可以为中阶梯光谱仪或切尔尼-特纳光谱仪，检测波段范围在200-1100nm之间，光谱分辨率优于1nm，检测时间常在毫秒级，也即百赫兹级脉冲检测频率；在一些实施例中，光谱处理模块10包括但不限于单色仪、体光栅、光栅探测、狭缝探测、滤波器、闪耀光栅分光组合光电探测器或法布里-珀罗谐振腔。

加工控制模块11接收光谱处理模块10的信号，并发出指令以实时调节激光器1加工参数、控制二维宽谱扫描镜5的运动和扫描速度，以及控制三维精密运动平台8运动，并控制激光器的开启和关闭，进而实现激光加工与等离子体光谱处理的闭环联动，避免多层复合材料加工不足造成残留或加工过剩形成损伤。

本发明实施例一的具体实现过程是：激光器1输出的激光经过准直扩束镜2扩束准直后，经过第一反射镜3和透反镜4导入二维宽谱扫描镜5中，并由宽谱场镜6聚焦到工件7的表面，该工件7为由7-1、7-2…7-n层组成的多层复合材料；二维宽谱扫描镜5按照加工控制模块11中设定好的路径对工件7进行扫描去除加工；激光加工同步激发等离子体光谱信号，结合光路可逆原理，同轴等离子体光谱信号经宽谱场镜6、二维宽谱扫描镜5到达透反镜4，经透反镜4透射射出；等离子体光谱探测器9同轴放置于光路中，检测经透反镜4透射射出的同轴等离子体光谱信号，再通过空间光传输或者光纤传输将接收的光谱信息传输至光谱处理模块10；由于工件7每层材料含有不同特征元素，光谱信息会存在差异，光谱处理模块10中的光谱仪101对等离子体光谱信号进行处理，根据信息的变化或信息强度的变化，实时在线判断激光材料去除加工的进程，进而反馈至加工控制模块11实时调节或切换激光加工的工艺参数；待判断所需材料去除完毕时，立即停止激光加工。

下面描述利用本发明实施例一进行激光扫描智能加工的方法，该方法包括以下步骤：

S1，设定激光加工参数；在本实施例中，加工参数包括激光器1所发射激光功率、重复频率、激光脉宽，二维宽谱扫描镜扫描速度、扫描次数等；

S2，进行激光高速扫描加工，并实时在线检测激光加工同步激发的同轴等离子体光谱信号；在本实施例中，通过二维宽谱扫描镜5进行扫描，并通过宽谱场镜6实现激光聚焦于工件7，对工件7进行加工；通过宽谱场镜、二维宽谱扫描镜以及透反镜将等离子体光谱信号沿激光同轴逆向传播，再通过等离子体光谱探测器9对同轴等离子体光谱信号进行检测；

S3，将检测的等离子体光谱信号与设定值进行对比，判断是否满足设定条件；若是则执行步骤S2，若否则执行步骤S4；在本实施例中，通过光谱处理模块10的光谱仪101进行将检测的等离子体光谱信号与设定值进行对比分析，以判断所需材料是否去除完毕；

S4，判断是否存在下一步加工流程，若是则执行步骤S1，若否则停止加工；在本实施例中，通过加工控制模块11对流程进行控制。

下面描述本发明实施例一在加工层叠型塑料金属多层复合材料的应用。

该应用的目的为，使用激光加工金属板内夹塑料芯层的夹层减振钢板；夹层减振钢板两层钢板厚度均为1mm，中间夹层为100um的薄层树脂，要求在上层钢板开一个10mm×10mm的正方形窗口，但不能损伤中间树脂层材料；采用本发明实施例一的基于同轴检测的激光扫描智能加工装置，激光器1为一台平均功率为100W、波长为1064nm、脉宽为12ps的皮秒激光器，重复频率设定为200kHz；二维宽谱扫描镜5在上层钢板表面扫描10mm×10mm的正方形，设定激光扫描速度为2000mm/s；等离子体光谱探测器9同轴放置于加工光路中，实时在线检测等离子体光谱中的元素信号；为实现材料去除判断，将需去除材料的特征等离子体光谱波段范围及强度阙值作为设定值，在该应用中，将铁元素的特征等离子体光谱波段范围及强度阙值作为设定值，将检测的等离子体光谱与铁元素的特征等离子体光谱进行对比；由于层叠型塑料金属多层复合材料中单层材料钢铁相对均匀，能够有效保证在加工平面的均一性，因此对于检测时效性要求不高，故光谱处理模块10采用光谱仪101进行信号分析与处理，并将处理结果实时传递至加工控制模块11进而控制激光器1加工参数、二维宽谱扫描镜5的扫描速度以及三维精密运动平台8的运动；一旦光谱仪101判断等离子体光谱中的铁元素信号消失或强度小于强度阙值，则判断上层钢板已被去除；光谱仪101立即向加工控制模块11传输信息；加工控制模块11发出指令，关闭激光器1，停止加工，保证了中间树脂层材料完好无损，从而实现层叠型塑料金属多层复合材料的选择性精确去除加工。

图2为本发明实施例二的示意图；如图2中所示，本发明实施例二提供的基于同轴检测的激光扫描智能加工装置包括激光器1、准直扩束镜2、第一反射镜3、透反镜4、二维宽谱扫描镜5、宽谱场镜6、三维精密运动平台8、等离子体光谱探测器9、光谱处理模块10以及加工控制模块11；

在实施例二中，光谱处理模块10包括沿等离子体光谱信号光路依次设置的第一闪耀光栅102、第一光学狭缝103和第一脉冲级超快光电探测器104；当激光以千赫兹或兆赫兹重复频率高速扫描加工时，传统光谱仪因其存在积分时延难以实现激光脉冲级的高频检测，为了实现脉冲级高频的实时在线检测与表征，此时在光谱处理模块10中采用闪耀光栅分光结合脉冲级超快光电探测器的组合检测模式；相较于传统光栅，闪耀光栅刻槽面与光栅面存在特殊夹角，也即闪耀角，能够使干涉零级主极大与衍射零级主极大分开实现非零级光谱的闪耀，进而保证连续光谱的高精度分光，能够有效避免光谱积分时延，实现千赫兹或兆赫兹频率级同轴光谱检测效率；根据光栅方程，若采用划痕数1200/mm闪耀光栅，选择闪耀角为6.89°-41.30°的闪耀光栅能够有效覆盖200nm-1100nm的特征光谱波段分光与检测；根据加工材料元素特征波段选取特定第一闪耀光栅102，同时结合第一光学狭缝103能够进一步提高特征谱段的分辨率和精度，再组合第一脉冲级超快光电探测器104实现千赫兹或兆赫兹频率级激光扫描同轴脉冲级光谱检测。

实施例二中的其它部件均与实施例一相同。

本发明实施例二的具体实现过程是：激光加工工件7同步激发等离子体光谱信号，结合光路可逆原理，等离子体光谱信号经宽谱场镜6、二维宽谱扫描镜5到达透反镜4，经透反镜4透射射出；等离子体光谱探测器9同轴放置于光路中，检测经透反镜4透射射出的同轴等离子体光谱信号，再将接收到的等离子体光谱信号传输至第一闪耀光栅102，第一闪耀光栅102实现加工材料特征波段的高效率分光，第一光学狭缝103进一步提高光谱分辨率和特征光谱精度，通过第一脉冲级超快光电探测器104实现脉冲级光电检测的实时在线表征，并根据光谱信号变化程度来判断工件7加工材料的待去除状态，进而反馈至加工控制模块11实时调节或切换激光加工的工艺参数。

下面描述本发明实施例二在制备频率选择表面结构的应用。

该应用的目的为，使用激光在由铜层和聚酰亚胺组成的多层柔性PCB上制备金属单元周期性阵列，获得一种频率选择表面结构；要求激光在60×60mm加工范围内，完全去除柔性PCB上的部分铜层，形成多个内径为30mm、外径为40mm的环形金属单元周期性阵列，且不得损伤聚酰亚胺基体材料；由于激光去除加工范围大，多层复合柔性材料柔性结构特殊，难以保证单层材料在加工平面的均一性，因此对于检测时效性要求高，光谱处理模块10采用第一闪耀光栅102分光，组合第一脉冲级超快光电探测器104的检测模式进行信号分析与处理；本发明实施例二激光器1为一台平均功率50W、波长1030nm、脉宽350fs的飞秒激光器，重复频率设定为1MHz；二维宽谱扫描镜5在柔性PCB表面对铜层进行扫描刻蚀加工，扫描速度设定为2000mm/s，等离子体光谱探测器9在线实时检测等离子体光谱中的铜元素信号，并将信息传递至光谱处理模块10；一旦光谱处理模块10的第一脉冲级超快光电探测器104判断等离子体光谱中的铜元素信号消失或强度小于强度阙值，判断铜层已被去除，第一脉冲级超快光电探测器104向加工控制模块11传输信息；加工控制模块11发出指令，关闭激光器1，停止加工，保证了柔性PCB的聚酰亚胺基体材料完好无损，从而实现在柔性PCB上制备金属单元周期性阵列的选择性精确去除加工功能。

图3为本发明实施例三的示意图；如图3中所示，本发明实施例三提供的基于同轴检测的激光扫描智能加工装置包括激光器1、准直扩束镜2、第一反射镜3、透反镜4、二维宽谱扫描镜5、宽谱场镜6、三维精密运动平台8、等离子体光谱探测器9、光谱处理模块10以及加工控制模块11；

在实施例三中，光谱处理模块10包括沿等离子体光谱信号光路依次设置的第一分光镜105和第二反射镜106，形成并联的第一分光支路和第二分光支路；第一分光镜105用于在等离子体光谱信号透射的同时向第一分光支路分光；第二反射镜106用于使第一分光镜105透射的等离子体光谱信号反射至第二分光支路；第一分光支路包括沿光路依次设置的第二闪耀光栅102’、第二光学狭缝103’和第二脉冲级超快光电探测器104’；第二分光支路包括沿光路依次设置的第三闪耀光栅102”、第三光学狭缝103”和第三脉冲级超快光电探测器104”；在实施例三中，需满足去除工件7的7-1和7-2两层材料的高精度、千赫兹或兆赫兹重复频率脉冲级检测，依据7-1层和7-2层材料所含的不同特征元素，利用第一分光镜105对等离子体光谱进行分光，两条分光支路分别检测其中一层材料的待去除状态；在实施例三中，第一分光镜105为宽波段分光镜，能够依据7-1层和7-2层材料对应元素的特征光谱，将检测到的等离子体光谱分光；分光形式可选用分光棱镜、分光平片等光学元器件，分光比例可根据实际加工样件的光谱信号强度、监测灵敏度和具体监测需求来定量化选择，如采用1:1等比例分光，或1:99、2:98……99:1等特殊比例分光形式；第二反射镜106为宽波段反射镜，能够将第二条分光支路的特征光谱以高反射率传输至该支路中的第三闪耀光栅102”；第二闪耀光栅102’和第三闪耀光栅102”分别根据7-1层和7-2层材料元素光谱特性差异选择相应闪耀角参数，并将各支路的同轴等离子体光谱信号分光至特征谱段，分别结合各支路中的光学狭缝和脉冲级超快光电探测器实现脉冲级光电检测的实时在线表征；在一些实施例中，需满足去除材料更多层的脉冲级检测，可以通过增加分光镜，形成多条并联的分光支路，每条分光支路均通过闪耀光栅、光学狭缝以及脉冲级超快光电探测器针对各层材料对应元素的特征光谱进行分析处理；可以理解，实施例三中的检测模式能够有效兼顾两层及以上材料的实时在线高精度探测与表征。

本发明实施例三的具体实现过程是：同轴等离子体光谱信号经宽谱场镜6、二维宽谱扫描镜5以及透反镜4后被等离子体光谱探测器9收集，经第一分光镜105分光为两条分支光路，分别进行光谱分析；两条分光支路的第二脉冲级超快光电探测器104’和第三脉冲级超快光电探测器104”分别检测到等离子体光谱信号中的特征元素发生强度更迭，即判断工件7中的7-1和7-2两层已被去除，则迅速给加工控制模块11传递信息，加工控制模块11发出指令，立即关闭激光器1停止激光去除加工，从而确保加工层选择性高精度无损去除而未加工层完好无损，实现材料精确控制选择性去除多层功能。

下面描述本发明实施例三在选择性切割鼠脑颅骨的应用。

生物医学实验中常需要对鼠脑颅骨进行取样研究，采用激光加工鼠脑颅骨，要求将脑颅骨切除直径为5mm的圆口，但不能损伤鼠脑颅骨底部的神经组织；由于颅骨结构特殊、形状复杂、材料成分多样，故难以保证生物材料在加工平面的均一性，因此对于检测时效性、检测的元素种类和精度要求高，故光谱处理模块10采用本发明实施例三的模式，实行多分光支路并行在线检测与原位表征；激光器1为一台平均功率40W、波长532nm、脉冲长度10ps的皮秒激光器，重复频率设定为200kHz，二维宽谱扫描镜5扫描速度设定为2000mm/s，在颅骨表面扫描切除一个直径为5mm的圆口，将等离子体光谱探测器9同轴放置于加工光路中进行实时在线检测，传输至分光镜后分光，实行多分光支路并行检测；光谱处理模块10将收集到的光谱信息进行处理，并将处理结果实时传递至加工控制模块11，进而调节激光功率、二维宽谱扫描镜5扫描速度等加工工艺参数，当各个分光支路特征光谱信号消失或强度小于强度阈值时，表明激光刻蚀深度以达到所需深度；光谱处理模块10立即给加工控制模块11传递信息，加工控制模块11发出指令，关闭激光源，停止加工，实现精确控制鼠脑颅骨的切除。

以上例子用于对本发明的基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法进行示例性说明，不构成对本发明保护范围的限制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置，包括激光器(1)，其特征在于，还包括沿激光光路依次设置的激光扩束模块、透反镜(4)、二维宽谱扫描镜(5)、宽谱场镜(6)以及三维精密运动平台(8)，此外还包括等离子体光谱探测器(9)、光谱处理模块(10)以及加工控制模块(11)；其中，

所述激光扩束模块用于使激光扩束准直；

所述透反镜(4)用于反射激光，并用于使同轴逆向入射的等离子体光谱信号透射射出；

所述二维宽谱扫描镜(5)用于使激光偏转，以实现激光对工件(7)的二维扫描，并使逆向入射的等离子体光谱信号沿激光同轴逆向偏转；

所述宽谱场镜(6)用于实现对激光束的聚焦，并用于透射逆向入射的等离子体光谱信号；

所述三维精密运动平台(8)用于放置工件(7)，并提供笛卡尔坐标系三个方向的精密运动；

所述等离子体光谱探测器(9)用于同轴检测经所述透反镜(4)透射射出的等离子体光谱信号，并将等离子体光谱信号传递给所述光谱处理模块(10)；

所述光谱处理模块(10)用于接收并分析所述等离子体光谱探测器(9)传递的等离子体光谱信号，并将分析结果信号传递给所述加工控制模块(11)；

所述加工控制模块(11)与所述光谱处理模块(10)、激光器(1)、二维宽谱扫描镜(5)及三维精密运动平台(8)电连接，用于接收所述光谱处理模块(10)的分析结果信号，并控制所述激光器(1)、二维宽谱扫描镜(5)以及三维精密运动平台(8)。

2.如权利要求1所述的激光扫描智能加工装置，其特征在于，所述二维宽谱扫描镜(5)为同时具有激光和等离子体光谱宽波段二维偏转能力的二维偏摆镜组、二维转镜、压电陶瓷偏摆镜组、声光偏转器或电光偏转器。

3.如权利要求1所述的激光扫描智能加工装置，其特征在于，所述宽谱场镜(6)为对激光波段和等离子体光谱波段均具有透过性的宽波段透镜、远心场镜、物镜或F-Theta镜。

4.如权利要求1所述的激光扫描智能加工装置，其特征在于，所述光谱处理模块(10)能够获取材料表面特征光谱波段范围及强度信息，实现加工材料从二维到三维空间成分及含量的高速光谱元素成像。

5.如权利要求1或4所述的激光扫描智能加工装置，其特征在于，所述光谱处理模块(10)包括光谱仪(101)；所述光谱仪(101)为中阶梯光谱仪或切尔尼-特纳光谱仪。

6.如权利要求1或4所述的激光扫描智能加工装置，其特征在于，所述光谱处理模块(10)包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的第一闪耀光栅(102)、第一光学狭缝(103)和第一脉冲级超快光电探测器(104)。

7.如权利要求1或4所述的激光扫描智能加工装置，其特征在于，所述光谱处理模块(10)包括沿等离子体光谱信号光路依次设置的n个分光镜和一个反射镜，形成n+1个并联的分光支路，其中n为正整数；第i个所述分光镜用于在等离子体光谱信号透射的同时向第i个分光支路分光，其中i取值为1到n；所述反射镜用于使第n个分光镜透射的等离子体光谱信号反射至第n+1个分光支路；每个分光支路均包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的闪耀光栅、光学狭缝和脉冲级超快光电探测器。

8.如权利要求7所述的激光扫描智能加工装置，其特征在于，所述光谱处理模块(10)包括沿等离子体光谱信号光路依次设置的第一分光镜(105)和第二反射镜(106)，形成并联的第一分光支路和第二分光支路；所述第一分光镜(105)用于在等离子体光谱信号透射的同时向第一分光支路分光；所述第二反射镜(106)用于使所述第一分光镜(105)透射的等离子体光谱信号反射至第二分光支路；所述第一分光支路包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的第二闪耀光栅(102’)、第二光学狭缝(103’)及第二脉冲级超快光电探测器(104’)；所述第二分光支路包括沿等离子体光谱信号传递方向依次设置的第三闪耀光栅(102”)、第三光学狭缝(103”)和第三脉冲级超快光电探测器(104”)。

9.利用如权利要求1-8所述的激光扫描智能加工装置进行激光扫描智能加工的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，设定激光加工参数；

S2，进行激光高速扫描加工，并实时在线检测激光加工同步激发的同轴等离子体光谱信号；

S3，将检测的等离子体光谱信号与设定值进行对比，判断是否满足设定条件；若是则执行步骤S2，若否则执行步骤S4；

S4，判断是否存在下一步加工流程，若是则执行步骤S1，若否则停止加工。

10.如权利要求9所述的激光扫描智能加工方法，其特征在于，在步骤S3中，所述设定值为需去除材料的特征等离子体光谱波段范围及强度阙值；若检测的等离子体光谱与需去除材料的特征等离子体光谱波段一致，且光谱强度大于强度阙值，判断为是；若检测的等离子体光谱与需去除材料的特征等离子体光谱波段不一致，或检测的等离子体光谱与需去除材料的特征等离子体光谱波段一致但光谱强度小于强度阙值，判断为否。

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