一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法，解决了现有超快激光微纳加工孔洞深度非接触式实时检测方式存在的探测设备结构复杂，探测成本高的问题。该系统包括半导体激光器、光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜、数据采集单元、数据处理单元以及激光加工设备；半导体激光器出射激光，经过光束准直单元、偏振器，在二向色分光镜处和激光加工设备出射的加工光束共同入射至被加工件；半导体激光反射光沿原光路返回入射至半导体激光器腔内，半导体激光器相对强度变化信号与加工时间的变化曲线，通过数据处理单元可实时计算出激光加工孔洞的深度。

A laser hole processing system and method with both processing and real-time detection capabilities

【技术实现步骤摘要】
一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法
本专利技术属于微纳探测
，涉及一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统。
技术介绍
超短激光脉冲微孔加工技术是一种新型特种加工技术，相比传统的电加工打孔和机械打孔方法，具有打孔速度快，效率高；可获得较小的孔径和较高的深径比；不受材料及其形状的影响，可以在各类材料和复杂形状的零件上进行激光打孔；可实现高密度及高定位精度的群孔加工等优势。现阶段我国在飞秒激光对航空发动机涡轮叶片气膜孔加工的过程中存在壁厚超过公差与质量不稳定问题，同时，由于叶片装夹定位中产生的误差传递也缺少数学定量描述，致使基于气膜孔设计模型直接加工易出现盲孔或背壁损伤缺陷，形位精度及保持性差，难以保证叶片的气冷要求；在发动机喷油嘴微孔的飞秒激光加工过程中，为了缩短加工时间，通常会设定高于材料烧蚀阈值的激光功率。由于中孔顶部空间较小，在打通喷孔时，激光可以照射到内腔背壁，同样会对背壁造成一定程度的烧蚀和损伤。现有方式是采用预填充物的方式阻止激光打孔中的背部损伤，但是打孔工艺繁杂且效率低下，不适合大规模工业化生产。因此，激光打孔深度的精确控制是实现超短脉冲激光打孔广泛应用的关键技术，针对复杂异型气膜孔和喷油嘴微孔的背壁烧蚀和损伤问题以及高效高精成形，其加工过程的孔深加工的实时性监测及群孔孔深一致性的控制等方面仍面临诸多挑战。目前飞秒激光加工微孔具有接触式和非接触式两种检测技术。接触式测量在深孔径比的微小孔测量中有重要应用，具有极高的可靠性且不受工件特性影响。但由于接触式测量通常需要进行多点接触测量，具有测量速度较慢、效率不高的缺点，并且不具备实时检测功能。因此，现在的工业上一般主要采用非接触式测量，其中涵盖了实时性和非实时性非接触测量。非实时性非接触测量包括基于机器视觉和图像采集与分析、SEM、3D显微成像、激光或者X射线照射成像等，该类方法对于加工精度在微米甚至亚微米量级的高精度加工中不具备激光加工的实时监控性。在非接触式实时检测方面，主要采用OCT等探测手段来对孔深进行表征。这些激光加工深度的测量技术具有很高的空间分辨率，但是仍然存在实际应用中的局限性，尤其在高密度及高定位精度的群孔加工中对每个孔深度的实时监控，探测成本高，复杂性大。
技术实现思路
为了克服现有超快激光微纳加工孔洞深度非接触式实时检测方式存在的探测设备结构复杂，探测成本高的问题，本专利技术提供了一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法。本专利技术的具体技术是：本专利技术提供了一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，包括半导体激光器、光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜、数据采集单元、数据处理单元以及激光加工设备；半导体激光器出射的探测光束上依次设置有光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜以及被加工件；所述偏振器的偏振方向和探测光束偏振态一致；激光加工设备的出射的加工光束经过二向色分光镜后与探测光束空间上共线重合，共同入射待被加工件上；所述探测光束的波长与加工光束的波长不同；数据采集单元的输入端与半导体激光器连接，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端连接，数据处理单元的输出端与所述激光加工设备连接。进一步地，为了防止部分残余光和杂散光对被加工件反射回半导体激光器的反射光造成影响，上述半导体激光器和光束准直单元之间或光束准直单元和偏振器之间或偏振器与四分之一波片之间或四分之一波片与二向色分光镜之间设置仅对探测光束波长高透的滤光片。进一步地，上述激光加工设备包括激光器、激光聚焦单元以及参数调节和运动控制单元。进一步地，上述激光器为连续激光器或脉冲激光器或超短脉冲激光器。基于上述对一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统的结构描述，现对采用该系统进行孔洞加工的方法做一下说明,具体步骤如下：步骤1：反馈光的形成；开启半导体激光器和激光加工设备；激光加工设备出射的加工光束经二向色分光镜反射后在被加工件进行孔洞的加工；与此同时，半导体激光器出射探测光束依次经过光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜后在被加工件上孔洞上形成反馈光；所述反馈光携带有被加工件上孔洞实时深度相对应的相位信息；步骤2：根据反馈光实时获取孔洞加工深度；步骤2.1：反馈光依次经过二向色分光镜、四分之一波片、偏振器、光束准直单元重新入射回半导体激光器腔内部，数据采集单元采集半导体激光器相对强度变化信号与加工时间的变化曲线；所述相对强度变化信号为两端节电压变化信号或者后腔面激光强度变化信号；步骤2.2：根据所述变化曲线可知孔洞深度变化半个波长，变化曲线中的峰值或者谷值变化一个周期；以工件表面为孔深深度零点，以该相对强度变化信号的周期数累计即可获得孔洞加工深度，即孔洞加工深度满足公式为：d＝(λ/2)×max{(n峰-1),(n谷-1)}；其中，λ为半导体激光器出射波长，n峰和n谷分别为变化曲线中峰值数量和谷值数量；步骤3：获得加工速度；数据处理单元8根据孔洞加工深度，并结合加工时间，得到加工速度；步骤4：数据处理单元将加工深度、加工速度实时反馈到激光加工设备，实现对激光加工设备的激光功率、激光偏振态、聚焦位置进行调整。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过半导体激光器、光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜、数据采集单元、数据处理单元以及激光加工设备构成的加工系统，兼备加工和实时检测能力，并且该系统结构简单，另外该系统中所使用的光学器件均属于常规光学器件成本低，且易于实现。本专利技术中可同时调节偏振器和四分之一波片，使得反馈光在半导体激光器内部形成的自干涉信号最强，从而有效提升数据采集信号的信噪比。本专利技术中的半导体激光器出射的探测光束在被加工件的孔洞内形成的反馈光，由反馈光回射入半导体激光器，对半导体激光器进行干扰，数据处理单元通过半导体激光器对两端节电压变化或者后腔面激光强度变化信息进行分析的到孔洞的实时深度，从而结构加工时间可对激光加工设备进行调整，使得整个加工过程更加可靠、高效。本专利技术属于实时性相干探测，能达到微米甚至纳米级的实时性探测精度；能够应用于粗糙的表面探测；结构紧凑简单，集成度高，易于和激光加工系统集成，并切本专利技术可对激光微纳加工深度进行了实时的监测，对提高微纳群孔加工的稳定性提供了保证。附图说明图1为本专利技术的结构原理图。图2为半导体激光器相对强度变化信号与加工时间的变化曲线。其中：1-半导体激光器；2-光束准直单元；3-偏振器；4-四分之一波片；5-二向色分束镜；6-被加工件；7-数据采集单元；8-数据处理单元；9-激光加工设备。具体实施方式为使本专利技术的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本专利技术提出的一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：包括半导体激光器(1)、光束准直单元(2)、偏振器(3)、四分之一波片(4)、二向色分光镜(5)、数据采集单元(7)、数据处理单元(8)以及激光加工设备(9)；/n半导体激光器(1)出射的探测光束上依次设置有光束准直单元(2)、偏振器(3)、四分之一波片(4)、二向色分光镜(5)以及被加工件(6)；所述偏振器(3)的偏振方向和探测光束偏振态一致；/n激光加工设备(9)的出射的加工光束经过二向色分光镜(5)后与探测光束空间上共线重合，共同入射待被加工件(6)上；/n所述探测光束的波长与加工光束的波长不同；/n数据采集单元(7)的输入端与半导体激光器(1)连接，数据采集单元(7)的输出端与数据处理单元(8)的输入端连接，数据处理单元(8)的输出端与所述激光加工设备(9)连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：包括半导体激光器(1)、光束准直单元(2)、偏振器(3)、四分之一波片(4)、二向色分光镜(5)、数据采集单元(7)、数据处理单元(8)以及激光加工设备(9)；
半导体激光器(1)出射的探测光束上依次设置有光束准直单元(2)、偏振器(3)、四分之一波片(4)、二向色分光镜(5)以及被加工件(6)；所述偏振器(3)的偏振方向和探测光束偏振态一致；
激光加工设备(9)的出射的加工光束经过二向色分光镜(5)后与探测光束空间上共线重合，共同入射待被加工件(6)上；
所述探测光束的波长与加工光束的波长不同；
数据采集单元(7)的输入端与半导体激光器(1)连接，数据采集单元(7)的输出端与数据处理单元(8)的输入端连接，数据处理单元(8)的输出端与所述激光加工设备(9)连接。


2.根据权利要求1所述的兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：所述半导体激光器(1)和光束准直单元(2)之间或光束准直单元(2)和偏振器(3)之间或偏振器(3)与四分之一波片(4)之间或四分之一波片(4)与二向色分光镜(5)之间设置仅对探测光束波长高透的滤光片。


3.根据权利要求2所述的兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：所述激光加工设备(9)包括激光器、激光聚焦单元以及参数调节和运动控制单元。


4.根据权利要求3所述的兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：所述激光器为连续激光器或...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向林，刘晖，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61