一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统及打标范围标定方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统及打标范围标定方法，涉及大型机械件、飞机等大目标物打标领域。目前的打标系统普遍存在工作距离短、打标范围小等缺点。针对上述存在的问题，通过飞秒激光成丝技术有效增大了焦深，拓宽了打标范围。当待加工样品幅面较大时，采用长焦透镜聚焦飞秒激光，诱导产生长光丝，在整个光丝长度范围内，均可实现高质量打标。此外，打标范围的增大使得本系统也适用于曲面打标。

A Large Scale Marking System Based on Femtosecond Laser Filamentation and a Method of Marking Range Calibration

The invention provides a large-scale marking system based on femtosecond laser filamentation and a marking range calibration method, which relates to the marking field of large mechanical parts, aircraft and other target objects. The current marking system generally has shortcomings such as short working distance and small marking range. In view of the above problems, femtosecond laser filamentation technology effectively enlarges the focal depth and broadens the marking range. When the size of the sample to be processed is large, the long filament can be induced by focusing femtosecond laser with long focus lens. The high quality marking can be achieved in the whole filament length range. In addition, with the increase of marking range, the system is also suitable for surface marking.

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统及打标范围标定方法
本专利技术涉及一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统及打标范围标定方法，尤其能够实现对大幅面样品以及曲面样品的打标加工，涉及大型机械件、飞机等大目标物打标领域。
技术介绍
激光打标是一种利用高能量激光束在样品表面扫描，留下永久痕迹的激光加工技术，通过计算机控制激光的运动轨迹，从而形成所需的文字或图案标记。激光打标具有非接触、高精度、高效环保等优势，广泛应用于机械加工、产品符号标刻、防伪等领域。飞秒激光成丝是光学领域中的一种非线性现象，当飞秒激光在传输过程中，克尔自聚焦与等离子散焦效应达到动态平衡时，就会形成超过瑞利长度的无衍射传输丝状通道。飞秒激光成丝的光丝长度在一定范围内可通过改变聚焦透镜的焦距进行调控，当功率大于成丝阈值时，长焦透镜能产生更长的光丝。目前的激光打标普遍存在打标范围小、工作距离短等弊端。大幅面打标大多采用平移台移动样品，然后拼接组合的加工方式，需要对样品位置精准控制，工作距离短导致对样品的放置位置要求较高，曲面样品的打标加工难度较大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术存在的问题，提供一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统。通过飞秒激光成丝技术，有效增加了打标的工作距离，实现大幅面与曲面激光打标。本专利技术采用的技术方案是：一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统，其特征在于，包括飞秒激光器、第一金反射镜、格兰棱镜、二向色镜、凸透镜、二维振镜扫描系统、第二金反射镜、样品架、计算机和He-Ne激光笔；其中所述飞秒激光器，用于输出飞秒激光，为打标提供高能量脉冲；所述第一金反射镜，用于反射飞秒激光，改变光路传输方向；所述格兰棱镜，通过旋转，用于连续调节飞秒激光脉冲的功率；所述二向色镜，一是与第一金反射镜一起，用于反射准直入射的飞秒激光，二是可透射He-Ne激光笔输出的He-Ne可见光，用于标识光路，定位打标位置；所述凸透镜，用于聚焦飞秒激光，诱导空气电离成丝；所述二维振镜扫描系统包括互相垂直放置的两块镜片，用于组合控制入射光束二维扫描；所述第二金反射镜，用于将光束反射到水平方向打标；所述样品架，用于固定待加工样品；所述计算机，用于控制二维振镜扫描，控制光束运动轨迹，形成所需的文字或图案标记；所述He-Ne激光笔，用于产生可见光，精确定位在样品上的打标位置；进一步地，以上所述的凸透镜是根据待加工样品尺寸、形貌改变焦距的。当加工曲面样品时，选用长焦凸透镜产生长光丝，提高工作范围，在整个光丝长度内实现高质量打标加工，无需对光束或样品位置进行精确控制。进一步地，以上所述的第二金反射镜是根据样品幅面大小改变尺寸的，当加工样品幅面较大时，选用大尺寸的金反射镜即可进一步拓宽打标幅面。进一步地，以上所述的格兰棱镜设有刻度，根据待加工样品材质不同导致的阈值损伤功率不同，旋转格兰棱镜，对入射飞秒激光脉冲的功率进行精准调节。进一步地，以上所述的He-Ne激光笔和二向色镜组成的激光打标定位装置，其中He-Ne激光笔或选用其他任一种可见光波段激光光源。进一步地，以上所述的第一金反射镜、格兰棱镜、二向色镜、凸透镜和第二金反射镜均安装固定在二维可调光学镜架上，光路的左右、俯仰可调。本专利技术同时提供了一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标范围标定方法，步骤包括：第一步、标定z方向上的打标范围，沿z方向步进移动样品，步长设置为0.5mm，同时每次步进后，都在样品表面打标刻线，直至刻线刚好完全消失时停止步进，记录此时样品移动的距离，即为z方向上的打标范围；第二步、标定xy方向上的打标范围，取z方向上的打标长度的中间位置，固定待加工样品，打标图形采用USAF-1951分辨率板阵列，观察标刻图形的缺失情况，得到xy方向上的打标范围。进一步地，以上所述的打标图形包括但不局限于分辨率板阵列，或是圆形、正方形图形。进一步地，以上所述球面打标，由于在曲面上打标会出现畸变，预处理打标图片消除畸变方法为：将预打标图形进行曲面或球面投影计算，得到修正后的图片，然后输入至振镜控制软件，即得到无畸变的曲面或球面打标。本专利技术优点和有益效果：本专利技术提出一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统及打标范围标定方法，适用于大幅面、三维曲面样品的标刻，可以实现大幅面以及曲面的高质量激光打标，解决现有激光打标系统工作距离短、打标范围小等问题，涉及大型机械件、飞机等大目标物打标领域。附图说明图1为基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统示意图。图2为二维振镜扫描系统示意图。图3为飞秒激光成丝拓宽打标范围示意图。图4为球面打标图片预处理示意图，以消除畸变：(a)待加工图片；(b)作球面投影后的修正图片。附图标记：1-飞秒激光器；2-第一金反射镜；3-格兰棱镜；4-二向色镜；5-凸透镜；6-二维振镜扫描系统；7-第二金反射镜；8-样品架；9-He-Ne激光笔；10-二维振镜；11-计算机；12-飞秒激光；13-飞秒激光成丝区域，14-xy方向打标最大幅面。为了能更加清楚的理解本专利技术的技术特征、目的和效果,现对照附图说明本专利技术的具体实施方式。具体实施方式图1为基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统示意图，包括飞秒激光器1、第一金反射镜2、格兰棱镜3、二向色镜4、凸透镜5、二维振镜扫描系统6、第二金反射镜7、样品架8和He-Ne激光笔9。其所述飞秒激光器1，用于输出飞秒激光，为打标提供高能量脉冲；所述第一金镜2，用于反射飞秒激光，改变光路传输方向；所述格兰棱镜3，通过旋转，用于连续调节飞秒激光脉冲的功率；所述二向色镜4，一是与第一金反射镜2组合，用于反射准直入射的飞秒激光，二是可透射He-Ne激光笔9输出的He-Ne可见光，用于标识光路，定位打标位置；所述凸透镜5，用于聚焦飞秒激光，诱导空气电离成丝；所述二维振镜扫描系统6如图2所示，包括二维振镜10和计算机11，其中所述二维振镜10由互相垂直放置的两块反射镜片组成，用于组合反射激光进行二维扫描；所述计算机11，用于控制二维振镜10扫描，控制光束运动轨迹，形成所需的文字或图案标记；所述第二金反射镜7，用于将光束反射到水平方向打标；所述样品架8，用于固定待加工样品；所述He-Ne激光笔9，用于产生可见光，精确定位在样品上的打标位置。在本专利技术实施中采用的飞秒激光器1为掺钛蓝宝石激光器，中心波长为800nm，脉宽42fs，重复频率2.5KHz，或选用其他型号的飞秒激光器。飞秒激光经第一金反射镜2和二向色镜4准直，由凸透镜5聚焦后，正入射至二维振镜扫描系统6，经振镜反射至其下方的第二金反射镜7，飞秒激光在水平方向成丝。沿z方向步进移动样品，步长设置为0.5mm，同时每次步进后，都在样品表面打标刻线，直至刻线刚好完全消失时停止步进。记录此时样品移动的距离，即为z方向上的打标范围。取z方向上的打标长度的中间位置，固定待加工样品。打标图形采用USAF-1951分辨率板阵列，观察标刻图形的缺失情况，得到xy方向上的打标范围，在整个光丝长度内均可以进行高质量打标加工。图3为飞秒激光成丝拓宽打标范围原理示意图，样品放置于此飞秒激光成丝区域13或满足样品烧蚀阈值的更大区域内均可以实现打标，其中xy方向的最大幅面为虚线14，能增大光丝长度，进一步拓宽打标幅面。图4示意了球面样品打标时，畸变修正方法：将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统，其特征在于，包括飞秒激光器、第一金反射镜、格兰棱镜、二向色镜、凸透镜、二维振镜扫描系统、第二金反射镜、样品架、计算机和He‑Ne激光笔；其中所述飞秒激光器，用于输出飞秒激光，为打标提供高能量脉冲；所述第一金反射镜，用于反射飞秒激光，改变光路传输方向；所述格兰棱镜，通过旋转，用于连续调节飞秒激光脉冲的功率；所述二向色镜，一是反射飞秒激光，与第一金反射镜组合，用于激光光束的准直，二是透射He‑Ne激光笔输出的He‑Ne可见光，用于标识光路，定位打标位置；所述凸透镜，用于聚焦飞秒激光，诱导空气电离成丝；所述二维振镜扫描系统包括互相垂直放置的两块镜片，用于组合控制入射光束二维扫描；所述第二金反射镜，用于将光束反射到水平方向打标；所述样品架，用于固定待加工样品；所述计算机，用于控制二维振镜扫描，控制光束运动轨迹，形成所需的文字或图案标记；所述He‑Ne激光笔，用于产生可见标识光，精确定位在样品上的打标位置，使打标过程可视化，便于观察。

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统，其特征在于，包括飞秒激光器、第一金反射镜、格兰棱镜、二向色镜、凸透镜、二维振镜扫描系统、第二金反射镜、样品架、计算机和He-Ne激光笔；其中所述飞秒激光器，用于输出飞秒激光，为打标提供高能量脉冲；所述第一金反射镜，用于反射飞秒激光，改变光路传输方向；所述格兰棱镜，通过旋转，用于连续调节飞秒激光脉冲的功率；所述二向色镜，一是反射飞秒激光，与第一金反射镜组合，用于激光光束的准直，二是透射He-Ne激光笔输出的He-Ne可见光，用于标识光路，定位打标位置；所述凸透镜，用于聚焦飞秒激光，诱导空气电离成丝；所述二维振镜扫描系统包括互相垂直放置的两块镜片，用于组合控制入射光束二维扫描；所述第二金反射镜，用于将光束反射到水平方向打标；所述样品架，用于固定待加工样品；所述计算机，用于控制二维振镜扫描，控制光束运动轨迹，形成所需的文字或图案标记；所述He-Ne激光笔，用于产生可见标识光，精确定位在样品上的打标位置，使打标过程可视化，便于观察。2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统，其特征在于：所述的第二金反射镜根据样品幅面大小改变尺寸，当加工样品幅面较大时，选用大尺寸的金反射镜进一步拓宽打标幅面。3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统，其特征在于：所述的凸透镜根据待加工样品尺寸、形貌选用合适的焦距；当加工曲面样品时，选用长焦凸透镜产生长光丝，提高工作范围，在整个光丝长度内实现高质量打标加工，无需对光束或样品位置进行精确控制。4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光成丝的大幅面打标系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟伟，戴子杰，王云飞，张楠，陈平，林列，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12