CN219015241U - 一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及飞秒激光微孔加工技术领域，具体是一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，是一种在线扫频OCT监控模块，包括扫频光源（9）、光纤耦合器I（8）、循环器I（7）、偏振控制器I（6）、准直镜II（19）、准直镜III（21）、偏振控制器II（10）、循环器II（11）、准直镜I（12）、凸透镜（13）、全反射镜（14）、光纤耦合器II（16）、平衡探测器（15）和工控机（5），该飞秒激光在线监控装置可以实现飞秒激光加工过程中超高精度在线实时监控，利用光学相干成像技术(OpticalCoherenceTomography，OCT)实现如下实时在线测量精度，测量精度：2.5μm；测量范围(最大测量长度)：6mm。

Description

一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置

技术领域

本实用新型涉及飞秒激光微孔加工技术领域，特别涉及一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置。

背景技术

飞秒激光加工集超快激光技术、超高精度定位技术、显微技术于一身，是一种新型的CMC-SiC材料加工方式，与普通加工方式相比，主要优点如下：1、加工损伤小：飞秒超短脉冲激光脉冲持续时间短，能量在极小时间和空间内完成与物质的相互作用，从加工开始至结束，热量来不及扩散，能量仅积累在材料微小区域的薄层内，加工完成后，损伤区域周围的材料仍处于“冷”状态，大大减弱了传统加工中热效应带来的诸多负面影响；2、加工精度高：飞秒激光能量在空间和时间上都呈现高斯型或类高斯型分布，这可以使得只有聚焦光斑中心部位的强度可达到材料的加工阈值，此时加工中的能量吸收与作用范围被限制于焦点中心处很小体积内，加工尺度远小于光斑尺寸，达到亚微米级甚至纳米级。

目前已有相关的研究，例如中国专利申请号CN202110490885.8一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，其利用空间光调制器加载0-π相位，对入射的呈高斯型强度分布的飞秒激光进行相位整形，由于入射的高斯光场的左右两部分被施加了不同的相位，在两部分重合的中间区域，会由于相位畸变形成光场强度暗区，从而将原本的高斯光束整形成双光点光束；在微孔加工过程中，双光点光束中心的光场暗区会有利于产生的等离子体从该位置处喷发，从而减少对后续激光脉冲的影响，改善能量沉积效率，提高微孔加工深度。

飞秒激光微加工技术作为新兴的特种加工技术，具有加工精度高、热影响区小、重铸层薄，无毛刺、材料适用性强等优点，是实现超精密航空发动机叶片气膜孔加工的一种新方法。在飞秒激光精密加工制孔(在微米量级)过程中，为了获得所要求加工的深度和孔径大小，需要根据目标材料的特性探索和优化飞秒激光的加工参数，然而，由于缺乏系统的理论框架作为指导，对飞秒激光加工的参数的摸索通常对多组参数进行反复迭代，过程繁琐且复杂。目前通常采用的扫描电子显微镜和原子力显微镜来表征激光加工的深度和孔径大小的结果，这两种方法只能获得静态图像，无法提供加工过程中的动态数据。

实用新型内容

本实用新型旨在解决上述背景技术中提出的技术问题之一，提供一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，以解决目前采用的扫描电子显微镜和原子力显微镜来表征激光加工的深度和孔径大小的结果，只能获得静态图像，无法提供加工过程中的动态数据的问题。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，包括扫频光源、光纤耦合器I、循环器I、偏振控制器I、准直镜II、准直镜III、偏振控制器II、循环器II、准直镜I、凸透镜、全反射镜、光纤耦合器II、平衡探测器和工控机，扫频光源输出的近红外光经过光纤耦合器I后分为监控光路和参考光路，循环器I、偏振控制器I、准直镜II、准直镜III依次设置在监控光路上，且监控光路能够依次经过加工光路上的分色镜和聚焦透镜照射至被加工工件上，偏振控制器II、循环器II、准直镜I、凸透镜、全反射镜依次设置在参考光路上，光纤耦合器II、平衡探测器和工控机依次连接，且光纤耦合器II连接循环器I和循环器II。

进一步的，近红外光从扫频光源输出后经过分光比90:10的光纤耦合器I后分为光束不等的两束光，其中10％的光通过偏振控制器II经循环器II后进入准直镜I与凸透镜和全反射镜组成的参考臂；参考臂的反射光路从全反射镜开始，依次通过凸透镜、准直镜I，经过循环器II进入到50:50的光纤耦合器II中，与被测工件的反射光路在此耦合，90％的光通过循环器I和偏振控制器I进入准直镜II和准直镜III，经过分色镜与加工光路一起汇聚到三轴移动的电机台上的被加工工件上，监控光路的反射光依次通过聚焦透镜、分色镜、准直镜III、准直镜II、偏振控制器I后，进入循环控制器，然后进入到50:50光纤耦合器II与参考光路的反射光在耦合器中耦合，进入到平衡探测器，做快速傅里叶变换(FFT)，并把结果送到工控机做处理；加工光路与监控光路两束光路在分色镜处汇聚成同一束光路，并聚焦透镜照射到安装在三轴移动的电机台上的被加工工件上，从而准确监控被加工工件的加工精度信息，实现被加工工件的加工位置和测量位置完全重合，进而提高监控精度。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，该飞秒激光在线监控装置利用光学相干成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)实现如下实时在线测量精度，可以实现飞秒激光加工过程中超高精度在线实时监控，测量精度：2.5μm；测量范围(最大测量长度)：6mm。

附图说明

图1为本实用新型一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中最后的测量示意图。

其中，附图中标记为：

1、全反射棱镜；2、凸透镜；3、凹透镜；4、飞秒激光器；5、工控机；6、偏振控制器I；7、循环器I；8、90:10的光纤耦合器I；9、扫频光源；10、偏振控制器II；11、循环器II；12、准直镜I；13、凸透镜；14、全反射镜；15、平衡探测器；16、50:50光纤耦合器II；17、被加工工件；18、聚焦透镜；19、准直镜II；20、分色镜；21、准直镜III；22、平行平板组下平板；23、平行平板组上平板；24、下偏转光楔；25、上偏转光楔；26、参数控制模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，是一种在线扫频OCT监控模块用于在飞秒激光加工工件精密加工过程中精确监控加工精度；

包括扫频光源9、光纤耦合器I8、循环器I7、偏振控制器I6、准直镜II19、准直镜III21、偏振控制器II10、循环器II11、准直镜I12、凸透镜13、全反射镜14、光纤耦合器II16、平衡探测器15和工控机5，扫频光源9输出的近红外光经过光纤耦合器I8后分为监控光路和参考光路，循环器I7、偏振控制器I6、准直镜II19、准直镜III21依次设置在监控光路上，且监控光路能够依次经过加工光路上的分色镜20和聚焦透镜18照射至被加工工件17上，偏振控制器II10、循环器II11、准直镜I12、凸透镜13、全反射镜14依次设置在参考光路上，光纤耦合器II16、平衡探测器15和工控机5依次连接，且光纤耦合器II16连接循环器I7和循环器II11。

进一步的，近红外光从扫频光源9输出后经过分光比90:10的光纤耦合器I8后分为光束不等的两束光，其中10％的光通过偏振控制器II10经循环器II11后进入准直镜I12与凸透镜13和全反射镜14组成的参考臂；参考臂的反射光路从全反射镜14开始，依次通过凸透镜13、准直镜I12，经过循环器II11进入到50:50的光纤耦合器II16中，与被测工件的反射光路在此耦合，90％的光通过循环器I7和偏振控制器I6进入准直镜II19和准直镜III21，经过分色镜20与加工光路一起汇聚到三轴移动的电机台上的被加工工件17上，监控光路的反射光依次通过聚焦透镜18、分色镜20、准直镜III21、准直镜II19、偏振控制器I6后，进入循环控制器7，然后进入到50:50光纤耦合器II16与参考光路的反射光在耦合器中耦合，进入到平衡探测器15，做快速傅里叶变换(FFT)，并把结果送到工控机5做处理；加工光路与监控光路两束光路在分色镜20处汇聚成同一束光路，并聚焦透镜18照射到安装在三轴移动的电机台上的被加工工件17上，从而准确监控被加工工件17的加工精度信息，实现被加工工件17的加工位置和测量位置完全重合，进而提高监控精度。

图2为本实用新型实施例中最后的测量示意图。

进一步的，包括飞秒激光加工光路模块，所述的飞秒激光加工光路模块用于对被加工工件17进行精密加工；

所述的飞秒激光加工光路系统，包括协同控制模块、激光器控制模块、光束偏转控制模块、光束平移控制模块以及扫描分布、速度、激光功率、锥度等参数控制模块26；

在飞秒激光器输出光路上，依次设置有扩束模块的凸透镜2和凹透镜3、全反射棱镜1、偏转光楔组的上偏转光楔25、下偏转光楔24、平行平板组上平板23、平行平板组下平板22、聚焦透镜18，最终光束达到被加工工件17上；扩束模块由凹透镜3和凸透镜2组成；激光器控制模块控制飞秒激光器4，光束偏转控制模块控制其中的偏转光楔组的上偏转光楔25和下偏转光楔24，光束平移控制模块控制平行平板组上平板23和平行平板组下平板22；激光器控制模块、光束偏转控制模块、光束平移控制模块通过数据线与协同控制模块连接，协同控制模块通过数据线与工控机5连接；控制入射的飞秒激光光束依次通过所述激光器控制模块、光束偏转控制模块、光束平移控制模块、聚焦镜后对被加工工件17进行微孔加工；

所述的激光器控制模块包括沿光路方向依次设置的扩束器和全反射棱镜，所述扩束镜设置在所述飞秒激光器出射面上，所述全反射棱镜设置在所述扩束镜的出射面上；所述全反射棱镜的下方依次垂直分布有所述光束偏转控制模块、光束平移控制模块和聚焦镜；

所述的激光器出射的光束先经过扩束器对光束进行扩束准直，然后经过偏转光楔组后与光轴产生一个±5°的夹角，再经过平行平板组产生±6mm的平移，再经过聚焦透镜聚焦于偏离光轴±6cm距离的焦平面上，当偏转光楔组和平行平板组同步高速转动，焦平面上会形成圆形轨迹，通过实时改变光楔相对偏转角度和平行平板相对转动角度实现大深径比及锥度可控微孔的加工；

所述上偏转光楔25和下偏转光楔24的楔角≤±5°，并且上偏转光楔25和下偏转光楔24之间具有气体间隙，上偏转光楔25和下偏转光楔24绕光轴相对转动，光束经过光楔后会与光轴产生一个夹角，该夹角等于两个偏转光楔的合成角度；当两个偏转光楔的楔角方向相反，这时产生的偏转角度为0°，双光楔的作用相当于平行平板，光线仅产生上下位置的微小偏移量；当两个偏转光楔的楔角方向相同，既两个偏转光楔的相对转动为180°，此时产生的偏转角最大为单光楔产生偏转角的2倍；若两个光楔相对转动角度为360°，则产生反向的最大偏转角；

所述上偏转光楔25和下偏转光楔24的旋转轴以及光轴两两互相垂直；

所述平行平板组上平板23和平行平板组下平板22为厚度相等的平行平板；

所述平行平板组上平板23和平行平板组下平板22相互平行设置，且平行平板组上平板23和平行平板组下平板22相对于水平方向倾斜的角度范围为0～90°；

所述扩束器包括扩束镜和准直镜；

所述飞秒激光器发射的激光束水平通过所述全反射棱镜；

所述的在线扫频OCT监控模块，用于测量激光加工中加工结构的精度，来自中心波长为1.3μm、光谱宽度为80nm、在频率扫描中重复频率为20kHz的扫频光源9的光束通过目标臂和参考臂光纤耦合器I8，耦合比为90:10，由于该光源采用钽铌酸钾的电光晶体作为扫描输出波长的驱动器，因此它没有机械运动部件，可以稳定地用于需要定量分析的工业应用中；目标光束通过分色镜20经由芯径为8.2μm的SMF循环器7与飞秒激光束同轴地辐射到被加工工件17上；偏振控制器6用于调节光束的偏振；反射物体和参考光束之间的光学干涉信号由带有SMF耦合器16的平衡检测器15检测，耦合比为50:50；干涉信号由高通量电子透镜数采系统((DAQ)(Pico Technology，picoscope3205A))采集并转换到工控机5中，信号采集触发由扫描光源9控制，通过对干扰信号进行傅里叶逆变换，对处理后结构的深度进行定量评估；捕获光学干涉信号和计算傅里叶光谱(A扫描曲线)所需的时间分别为3和10毫秒，作为样品，将被加工工件17安装在三轴平移电机台上。

本实施例所述的一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，涉及的计算过程如下：

光学相干成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)分为时域信号的光学相干成像(Time Domain Optical Coherence Tomography，TD-OCT)和频域信号的傅里叶光学相干成像(Fourier Domain Optical Coherence Tomography，FD-OCT)，而FD-OCT根据光源类型以及干涉信号获取方式的不同又可分为基于成像光谱仪的谱域OCT系统(SpectralDomain Optical Coherence Tomography，SD-OCT)和基于扫频OCT系统(Swept SourceOptical Coherence Tomography，SS-OCT)，其中SS-OCT是最新一代的成像技术，无需做参考臂机械扫描，通过傅里叶变换提取深度信息，既有TD-OCT点探测的特点，也具备SD-OCT快速扫频成像的优势；

SS-OCT是利用光的后向散射对被测量物体进行成像，光在射入组织后产生吸收、折射、散射等效应，其中单次散射、多次散射及背向散射光包含了组织内部信息，它们是主要探测目标；若仅测量一路光信号由于其强度很弱，无法进行成像，所以OCT在光路结构上采用迈克尔逊干涉仪，与平面镜反射光产生干涉信号，通过探测干涉信号进行组织成像，它的数学原理与光学频域测距类似，光源发出一路光信号，在进行一定比例分束后分别进入参考臂与样品臂；由于两路光产生于同一光源故满足光波相干条件(同频率、同振动方向、恒定相位差)，区别于时域OCT的低相干光源，扫频光源在一个扫频周期内按照时间顺序，每次仅输出非常窄的光束，因此其相干长度很长。假设参考臂返回光振幅为E_r(λ)，样品臂返回光振幅为E_s(λ)，在不失一般性的情况下，假设参考臂为全反射，记参考臂位置深度为L_r，L_s为样品臂深度位置，a(s)为深度L_s处样品后向散射强度，则参考臂与样品臂返回振幅可分别表示为：

两臂返回的光信号经平衡探测器获取，在一个扫频周期内，对于某一特定波长探测器接受的干涉信号I(k)为：

其中Z_n，Z_m分别为将Z₂中的s替换为n，m为解析干涉信号提取深度信息，对式(2)作傅里叶变换得：

由维纳-辛钦定理可知：在宽平稳随机过程情况下，光源的功率谱密度是其自相关函数的傅里叶变换，Γ(z)即为光源的相干函数；同样可以从式(3)看出，经过傅里叶变换后，深度信息得到解析，对应式(2)直流项为参考臂的自相项，通常在成像时显示为零光程位置处的一条直线，是影响成像效果的噪声需要去除，第二项为相干信号项，它包含正负两部分，对应零光程两侧的深度信息及其镜像，第三项AC[a(s)]代表样品不同深度互相关噪声，远低于干涉信号，通常作为背景噪声去除；

由光纤组成的SS-OCT在线监控装置用于测量激光加工中加工结构的精度，来自中心波长为1.3μm、光谱宽度为80nm、在频率扫描中重复频率为20kHz的扫频光源(SLS)的光束通过目标臂和参考臂光纤(SMF)耦合器(Thorlabs，TW1300R2A1)，耦合比为9:1，由于该光源采用钽铌酸钾(KTa1-xNbxO3，KTN)的电光晶体作为扫描输出波长的驱动器，因此它没有机械运动部件，可以稳定地用于需要定量分析的工业应用中；目标光束通过分色镜(振镜DM)经由芯径为8.2μm的SMF循环器(Thorlabs，CIR1310-APC)与飞秒激光束同轴地辐射到被加工的样品上；偏振控制器(PC)(Thorlabs，CPC900)用于调节光束的偏振；反射物体和参考光束之间的光学干涉信号由带有SMF耦合器(Thorlabs，TW1300R5A1)的平衡检测器(BD)(Hamamatsu，C12668-02)检测，耦合比为5:5；干涉信号由高通量电子透镜数采系统((DAQ)(PicoTechnology，picoscope3205A))采集并转换到工控机中，信号采集触发由扫描光源(SLS)控制，通过对干扰信号进行傅里叶逆变换，对处理后结构的深度进行定量评估；捕获光学干涉信号和计算傅里叶光谱(A扫描曲线)所需的时间分别为3和10毫秒，作为样品，将被加工件安装在三轴平移电机台(Thorlabs，ZFS13B)上。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，其特征在于：包括扫频光源（9）、光纤耦合器I（8）、循环器I（7）、偏振控制器I（6）、准直镜II（19）、准直镜III（21）、偏振控制器II（10）、循环器II（11）、准直镜I（12）、凸透镜（13）、全反射镜（14）、光纤耦合器II（16）、平衡探测器（15）和工控机（5），扫频光源（9）输出的近红外光经过光纤耦合器I（8）后分为监控光路和参考光路，循环器I（7）、偏振控制器I（6）、准直镜II（19）、准直镜III（21）依次设置在监控光路上，且监控光路能够依次经过加工光路上的分色镜（20）和聚焦透镜（18）照射至被加工工件（17）上，偏振控制器II（10）、循环器II（11）、准直镜I（12）、凸透镜（13）、全反射镜（14）依次设置在参考光路上，光纤耦合器II（16）、平衡探测器（15）和工控机（5）依次连接，且光纤耦合器II（16）连接循环器I（7）和循环器II（11）。

2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，其特征在于：所述扫频光源（9）的中心波长为1.3μm、光谱宽度为80nm、在频率扫描中重复频率为20kHz。

3.根据权利要求2所述的一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，其特征在于：所述扫频光源（9）是采用钽铌酸钾的电光晶体作为扫描输出波长的驱动器。

4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，其特征在于：所述光纤耦合器II（16）是带有SMF耦合器。

5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光极端微孔加工在线监控装置，其特征在于：所述光纤耦合器I（8）的分光比为90:10，光纤耦合器II（16）的分光比为50:50。

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