一种高回光利用率的双光束干涉激光加工同轴实时定焦系统

本技术涉及激光精密加工，特别是一种高回光利用率的双光束干涉激光加工同轴实时定焦系统。

背景技术：

1、随着智能制造向精密化、高速化、多材质兼容方向升级，激光加工已成为高端制造领域的核心工艺，涵盖切割、焊接、微加工等应用，需适配多样材质与形态的工件，同时满足高精度与高速生产需求。在激光加工中，激光聚焦头与工件表面的 “焦面距离” 是决定加工质量的核心参数,因为激光能量需精准汇聚于加工面以保证工艺效果，距离偏差会导致切不透、烧蚀或设备磨损；而实际加工中，工件装夹误差、材料翘曲、加工热变形等易引发表面高度波动，若测距系统无法动态补偿，将直接影响产品质量与合格率。

2、如中国专利公开号cn110170752b 提出一种激光切割设备，借助送料机浮动夹钳、净料切割区支撑条及转动工作台等机械结构，实现板材定位与自动切割。其作用是利用机械结构辅助完成切割任务，保障切割时板材相对位置稳定。然而，该设备未涉及激光聚焦头与工件表面的动态测距技术，仅靠机械结构静态定位，无法应对加工中工件因装夹误差、热变形等产生的表面高度波动，难以适配高速加工场景，且机械部件易磨损，长期使用精度受影响，还需频繁校准。

3、如中国专利公开号cn108723583b 采用激光三角法，通过二维扫描装置投射照明光，结合 cmos 传感器接收反射光，构建三维测量系统来实现工件表面三维形貌测量。作用是检测工件表面三维形貌，为激光加工中工件位置等信息提供测量数据。但该技术依赖工件表面漫反射光信号，对高反光或透明材料易产生镜面反射，导致光斑偏移或信号丢失，常需额外预处理；扫描装置的机械运动限制测量频率，动态响应滞后，难以满足高速动态补偿需求；系统集成多组光学元件等，结构复杂、体积大、成本高，且对安装精度要求严格。

4、如中国专利公开号cn106163724b 推测涉及激光相位测距或光谱共焦技术以实现工件测距。作用是测量工件相关距离参数，为激光加工焦点位置等提供参考。若为相位测距技术，相位解算易受环境噪声干扰，多频调制虽扩展量程却增加系统复杂度与成本；若为光谱共焦技术，需色散元件分离波长，设备体积大、成本高，对环境温度敏感，难以适应工业宽温域工况，且测量速度受光谱仪采样频率限制，动态响应能力弱。

5、以上技术均存在动态响应能力不足,特殊材质适应性差,系统复杂成本高,环境适应性有限等缺点。

6、因此，亟待提出一种高回光利用率的双光束干涉激光加工同轴实时定焦系统及方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高回光利用率的双光束干涉激光加工同轴实时定焦系统及方法，以实现非接触式的高精度、高鲁棒性的激光加工焦面距离的同轴实时监测。

2、为达到上述目的，本实用新型是按照以下技术方案实施的：

3、本实用新型提供的第一个技术方案是一种高回光利用率的双光束干涉激光加工同轴实时定焦系统，包括激光打标镜头和位于激光打标镜头前端的待加工样品，所述待加工样品固定在直线精密滑台上，直线精密滑台与电脑连接用于控制直线精密滑台驱动待加工样品远离或靠近激光打标镜头；还包括：1310宽带光源、第一2*2耦合器、第一环形器、第二环形器、第二2*2耦合器、第三2*2耦合器、第一平面反射镜、第一光纤准直器、第一光电探测器、第二光电探测器、1550窄带光源、第三光电探测器、第四2*2耦合器、波分复用器、第二光纤准直器、l型反射镜、第二平面反射镜和端面反射镜；

4、所述1310宽带光源的出光进入第一2*2耦合器分束为等光强的两路光束：其中一束光通过第二环形器进入到波分复用器，再经过第二光纤准直器进行准直后打在l型反射镜上，并且反射到第二平面反射镜后原路返回，再次经过第二环形器进入第二2*2耦合器；另外一束光通过第一环形器进入第三2*2耦合器分束为等光强的两路光束：其中一束光打到第一平面反射镜上作为参考臂，回光经过第一环形器进入第二2*2耦合器；在第三2*2耦合器分光的另一束光经第一光纤准直器进行准直后穿过激光打标镜头进行聚焦，最后打到待加工样品上作为样品臂，反射的回光原路返回再经过第一环形器进入第二2*2耦合器；第二平面反射镜反射的回光在第二2*2耦合器分别与参考臂和样品臂发生干涉产生干涉峰，两个干涉峰都被第一光电探测器和第二光电探测器接收；

5、同时1550窄带光源的出光进入第四2*2耦合器分束为等光强的两路光束：其中一束光进入波分复用器，再经过第二光纤准直器进行准直后打在l型反射镜上，l型反射镜为旋转式光学延迟线，用于快速光程扫描形成多个干涉峰，并利用标尺光进行精确测距，并且反射到第二平面反射镜后原路返回到第四2*2耦合器；另一束光打到端面反射镜原路返回第四2*2耦合器，返回至第四2*2耦合器的两束光发生干涉，产生正弦波作为标尺光，标尺光被第三光电探测器接收；

6、所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器接收的信号传输至电脑中，获取第一平面反射镜所反射回来的回光在第二2*2耦合器发生干涉产生的干涉峰即参考位干涉峰，以及待加工样品的回光返回到第二2*2耦合器处产生的干涉峰即样品位干涉峰，当激光打标镜头的焦点打在待加工样品上时参考位干涉峰与样品位干涉峰之间的距离即为设定好的腔长；通过第三光电探测器接收的标尺光对参考位干涉峰和样品位干涉峰之间的光程进行实时测量；然后通过电脑控制驱动直线精密滑台将待加工样品，当参考位干涉峰和样品位干涉峰之间的光程等于设定好的腔长时，激光打标镜头的焦点打在待加工样品上，实现对激光焦点的同轴实时定焦。

7、进一步地，所述l型反射镜为旋转式光学延迟线，用于快速光程扫描形成多个干涉峰，并利用标尺光进行精确测距。

8、本实用新型提供的第二个技术方案是一种高回光利用率的双光束干涉激光加工同轴实时定焦方法，利用上述高回光利用率的双光束干涉激光加工同轴实时定焦系统进行定焦，具体步骤如下：

9、s1、第一平面反射镜所反射回来的回光在第二2*2耦合器发生干涉产生的干涉峰为参考位干涉峰，然后待加工样品的回光返回到第二2*2耦合器处产生的干涉峰为样品位干涉峰，通过l型反射镜的快速扫描，电脑精确锁定第一光电探测器和第二光电探测器接收到的参考位干涉峰和样品位干涉峰，当激光打标镜头的焦点打在待加工样品上时参考位干涉峰与样品位干涉峰之间的距离即为设定好的腔长d；

10、s2、标尺光被第三光电探测器接收后，由于1550窄带光源射出的光具有高相干性，其干涉信号是稳定的正弦波，周期对应于已知的标准光程；电脑利用1310nm参考位信号精确计数l型反射镜引入的光程变化量，对参考位干涉峰和样品位干涉峰之间的光程进行实时、动态的校准，两个干涉峰之间的光程表示为：

11、；

12、其中，

n为波峰数， 为标尺光的波长，

n为标尺光在所在光传输介质的折射率；

13、由于是在空气中传播，折射率近似为1，所以参考位干涉峰和样品位干涉峰之间的光程表示为：

14、；

15、s3、通过控制直线精密滑台移动待加工样品，当参考位干涉峰和样品位干涉峰之间的光程l等于设定的腔长d时，激光打标镜头的焦点打在待加工样品上，实现对激光焦点的同轴实时定焦。

16、与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

17、1）本实用新型可以实现激光加工的同轴实时定焦测量，有利于打破传统先进行测距再进激光加工的繁琐过程，节约时间成本，减少误差。采用低相干光结合高相干光系统，显著提高测量精度。

18、2）本实用新型可以实现非接触式测量，避免刮花样品表面，影响激光加工结果。

19、3）本实用新型的光路结构精妙，接收回光能力强，即使样品非垂直，偏移角度45度左右也可以进行精准测量。