适用于低中高功率激光的焦点判定装置及定焦方法

1.本发明属于激光加工技术领域，涉及一种适用于低中高功率激光的焦点判定装置，本发明还涉及上述定焦装置的定焦方法。


背景技术：

2.近年来，功率激光凭借其多种优良的性能，被广泛应用于特种加工行业。随着社会发展，工业上对激光加工的精度要求也越来越高，而激光加工精度与激光焦点到被加工物件表面的相对距离有着密切关系，因此对功率激光焦点位置进行准确测量(简称“定焦”)是一项关键技术。需要说明的是，本发明中所提到的“焦点”，更准确地说是激光对所加工材料而言的最佳烧蚀位置点，指的是距离激光头的某位置处，具有最佳的烧蚀深度和效果，而非纯光学意义上的焦点。
3.传统的功率激光焦点测量方法：基于ccd或cmos的光束质量分析法不适用于高功率激光；探针法耗材贵且操作繁琐；肉眼观察法容易损伤眼睛，不适用于中高功率激光(这里认为平均功率小于等于10w的激光为低功率激光，10w-1000w为中功率激光，大于1000w为高功率激光)。以上方法在测量高功率激光焦点时成本高且操作不方便，无法实现大动态响应范围，难以精准确定高功率激光的焦点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种适用于低中高功率激光的焦点判定装置，通过此定焦装置解决了现有设备在确定功率激光焦点位置时无法实现大动态响应范围的问题。
5.本发明的另一个目的是提供一种适用于低中高功率激光的定焦方法。
6.本发明所采用的第一种技术方案是，适用于低中高功率激光的焦点判定装置，包括宽禁带半导体探测器阵列架，宽禁带半导体探测器阵列架的中心处安装有激光头，激光头底部的激光出光口发出激光烧蚀放置在工作平台上方的金属靶材产生等离子体紫外辐射信号；宽禁带半导体探测器阵列架还安装有若干个透光率不同的宽禁带半导体探测器模块。
7.本发明第一种技术方案的特点还在于：
8.宽禁带半导体探测器阵列架包括阵列架正面架体和阵列架背面架体，阵列架正面架体上均匀分布有若干个透光率不同的宽禁带半导体探测器模块；阵列架背面架体上分别安装有mcu和扬声器。
9.每个宽禁带半导体探测器模块包括并列设置的两个pcb电路板，每个pcb电路板上安装有宽禁带半导体传感器，将透光率为零的遮光片安装在其中第一个宽禁带半导体传感器上方做全遮光处理；第二个宽禁带半导体传感器上方进行不同透光率的遮光处理。
10.第二个宽禁带半导体传感器上分别进行未安装遮光片及安装遮光率为η1～η
n-1
的遮光片的遮光处理。
11.本发明采用的第二种技术方案是，适用于低中高功率激光的定焦方法，具体包括
如下步骤：
12.步骤1，调整激光头位置，至使加工平台与激光头下边沿超过f，设定定焦过程中允许的误差范围err；
13.步骤2，开启激光器，激光头经激光出光口发射激光束烧蚀加工平台上的金属靶材，产生等离子体紫外辐射信号；
14.步骤3，开启定焦装置，宽禁带半导体探测器阵列架采集等离子体紫外辐射信号；
15.步骤4，进行遍历过程，找出lmax的值作为焦点判断依据；
16.步骤5，开始寻找焦点，扬声器以fh/10的频率以及以t
db
/10的大小的音调鸣叫，使用者手动向上调整激光的位置，移动过程中扬声器以fh×
p频率以及t
db
×
p大小的音调鸣叫，用于提示当前点距离焦点位置的远近，直至扬声器以目标频率及分贝进行鸣叫，说明|lnow
–
lmax|≤err，则表明目前已到达焦点位置；
17.步骤6，定焦完成，关闭定焦装置。
18.本发明的有益效果是，本发明提供的是一种功率激光精准定焦装置，利用宽禁带半导体材料制作的紫外光电传感器的日盲和可见光盲特性，对激光烧蚀金属产生的等离子辐射紫外分量进行响应，通过跨阻放大电路和a/d转换模块对采集的信号以数字量输出，在mcu中存储并计算等离子体辐射强度值，根据强度值和离焦量的关系达到精准定焦的目的；另外用听觉代替视觉通过扬声器的声音变化判断激光是否在达焦点处，不必用肉眼直视激光烧蚀处，提高激光器使用的安全性；同时用多个宽禁带半导体材料探测器共同组成探测器阵列架，用以同时适用于低中高功率激光焦点判定达到了大动态响应范围的效果。
附图说明
19.图1为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置加工时的示意图；
20.图2为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置中阵列架正面示意图；
21.图3为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置中阵列架背面示意图；
22.图4为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置中宽禁带半导体材料探测器模块示意图；
23.图5为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置中(未安装遮光片)透光率为η0的探测器模块的示意图；
24.图6为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置中透光率为η1的探测器模块示意图；
25.图7为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置中透光率为η2的探测器模块示意图；
26.图8为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置中激光器瑞利长度示意图；
27.图9为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置“遍历”过程流程图；
28.图10为本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置定焦过程流程图；
29.图11为未安装遮光片的探测器与安装遮光片的探测器测试效果图。
30.图中，1.激光头，2.宽禁带半导体探测器阵列架，3.激光出光口，4.等离子体紫外辐射信号，5.金属靶材，6.工作平台，7.阵列架正面架体，8.宽禁带半导体探测器模块i，9.宽禁带半导体探测器模块ii，10.宽禁带半导体探测器模块iii，11.空心方孔，12.阵列架背
面架体，13.mcu，14.扬声器，15.pcb电路板，16.宽禁带半导体传感器，17.透光率为零的遮光片，18.透光率为η1的遮光片，19.透光率为η2的遮光片，20.激光焦点，21.待加工靶材。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
32.本发明适用于低中高功率激光的焦点判定装置，如图1所示，宽禁带半导体探测器阵列架2通过其中间的空心方孔11嵌套在激光头1上，激光头1下方的激光出光口3发出激光烧蚀放置在工作平台6上方的金属靶材5产生等离子体紫外辐射信号4；
33.宽禁带半导体探测器阵列架2正面安装透光率由大到小分别为η0、η1、η2……
η
n-1
的n个宽禁带半导体探测器模块，其中每一个宽禁带半导体(algan)探测器模块的中轴线与宽禁带半导体探测器阵列架2同轴，且每一个宽禁带半导体探测器模块到宽禁带半导体探测器阵列架2中心的距离都相等，并且以宽禁带半导体探测器阵列架2为中心呈中心对称分布(如图2所示，图中只示意性地画出三个)。
34.如图2、3所示，宽禁带半导体探测器阵列架2包括阵列架正面架体7和阵列架背面架体12；
35.图2中的三个宽禁带半导体探测器模块分别为：未安装遮光片的宽禁带半导体探测器模块i8，安装了透光率为η1的遮光片的宽禁带半导体探测器模块ii9，安装了透光率为η2的遮光片的宽禁带半导体探测器模块iii10，这三个宽禁带半导体探测器通过总线连接并安装在宽禁带半导体探测器阵列架正面架体7上；
36.阵列架背面架体12上分别安装有mcu(micro control unit，微控制单元)13和扬声器14，mcu13和扬声器14通过总线连接安装在阵列架背面架体12上。
37.图4为宽禁带半导体探测器模块俯视示意图，包括并列设置的两个pcb电路板15，每个pcb电路板15上集成有跨阻放大器与a/d转换电路，每个pcb电路板15上安装有宽禁带半导体传感器16，将透光率为零的遮光片17安装在其中一个宽禁带半导体传感器16上方做全遮光处理；
38.图5为未安装遮光片的宽禁带半导体探测器模块左视示意图(透光率为η0的遮光片厚度w0＝0)，
39.图6为安装了透光率为η1的遮光片18的宽禁带半导体探测器模块左视示意图(透光率为η1的遮光片18厚度为w1)，
40.图7为安装了透光率为η2的遮光片19的宽禁带半导体探测器模块左视示意图(透光率为η2的遮光片19厚度为w2)。
41.本发明中遮光片厚度的得出，依据的是光吸收公式:
42.i＝i0e-αw
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，i0为入射到遮光片表面的入射光强，i为经过遮光片吸收后从遮光片另一面出射的光强，α为遮光片材料的吸收系数，w为材料厚度。
43.由以上关系式得透光率为：
[0044][0045]
推出厚度为：
[0046][0047]
所以想要得到透过率为η0、η1、η2……
η
n-1
的遮光片只需代入到上式中得出材料厚度即可。
[0048]
如图8所示为激光器瑞利长度示意图，根据激光参数，在其瑞利长度范围[-zr,zr]内激光束可近似认为是平行光束(zr为瑞利长度上界，-zr为瑞利长度下界)，只要激光焦点20的测量精度在其瑞利长度之内，可认为定焦精度能够满足激光焦点判定，即允许误差范围(为瑞利长度下界处的等离子体紫外辐射信号，为瑞利长度上界处的等离子体紫外辐射信号)。
[0049]
工作原理如下：
[0050]
定焦前手动向上调整激光头1使其下边沿与金属靶材5相距超过f(激光器厂家所给的理论焦距3cm以上)，然后手动向下调整激光头1使激光焦点20与待加工靶材21的表面经历从相距过大到重合再到相距过大(下称“遍历”)，在此过程中用宽禁带半导体探测器阵列架2上安装的透光率分别为η0、η1、η2……
η
n-1
的宽禁带半导体探测器采集等离子体紫外辐射信号4找出等离子体紫外辐射信号最大值lmax。
[0051]
遍历过程流程图如图9所示(其中n为安装地宽禁带半导体探测器模块的数量，s为宽禁带半导体探测器模块的饱和值)。遍历过程开始后，将n的值存储到m中，n设置为1表示初始化后用第一个宽禁带半导体探测器的采集结果作为等离子体紫外辐射信号值，初始化lmax＝0；遍历过程中判断当前宽禁带半导体探测器模块的采集结果l
(n)
是否饱和(即判断l
(n)
≥s是否成立)；若饱和则选通下一个宽禁带半导体探测器模块并判断n＞m是否成立，若成立则表示已经是最后一个宽禁带半导体探测器模块，直接结束，若不成立则返回继续判断l
(n)
≥s是否成立；若不饱和则将l
(n)
的值存储到当前等离子体紫外辐射信号值lnow中，然后判断lnow是否大于最大值lmax，若lnow＞lmax，则将lnow的值存储到lmax中然后返回继续判断l
(n)
≥s是否成立。若lnow＞lmax不成立则直接返回判断l
(n)
≥s是否成立。遍历过程结束后输出lmax作为下面寻焦过程的焦点判定依据。
[0052]
定焦过程流程图如图10所示，开始定焦后，设置扬声器以fh/10(fh＝4khz)的频率以及以t
db
/10(分贝t
db
＝100db)的大小的音调鸣叫，表示开始寻找焦点。将n的值存储到m中，将n设置为1，然后判断当前宽禁带半导体探测器模块的采集结果l
(n)
是否饱和(即判断l
(n)
≥s是否成立)；若饱和则选通下一个宽禁带半导体探测器模块并判断n＞m是否成立，若成立则表示已经是最后一个宽禁带半导体探测器模块，直接结束，若不成立则返回继续判断l
(n)
≥s是否成立；若不饱和则将l
(n)
的值存储到当前等离子体紫外辐射信号值lnow中，并计算lnow与lmax之比存储到p中；继续判断|lnow
–
lmax|≤err是否成立(即是否在误差范围内)；若是，则表示定焦完成，设置扬声器频率为fh，大小为t
db
然后结束定焦过程；若否，则扬声器频率为fh×
p，大小为t
db
×
p并返回继续判断l
(n)
≥s是否成立。
[0053]
本发明的一种功率激光精准定焦装置的使用方法为：
[0054]
步骤1，手动调整激光头1位置，至使加工平台6与激光头1下边沿超过f(激光器厂家给定的理想焦距3cm)以上设定定焦过程中允许的误差范围err，
[0055]
步骤2，开启激光器，激光头1经激光出光口3发射激光束烧蚀加工平台6上的金属靶材5，产生等离子体紫外辐射信号4。
[0056]
步骤3，开启定焦装置，宽禁带半导体探测器阵列架2采集等离子体紫外辐射信号5。
[0057]
步骤4，进行遍历过程，找出lmax的值作为焦点判断依据。
[0058]
步骤5，开始寻找焦点，扬声器以fh/10的频率以及以t
db
/10的大小的音调鸣叫；使用者手动向上调整激光1的位置，移动过程中扬声器以fh×
p频率以及t
db
×
p大小的音调鸣叫(其中)，用于提示当前点距离焦点位置的远近，直至扬声器以频率fh＝4khz大小t
db
＝100db鸣叫，说明|lnow
–
lmax|≤err，则表明目前已到达焦点位置。
[0059]
步骤6，定焦完成，关闭定焦装置。
[0060]
实施例
[0061]
选用gss-fib-20型号的激光头，其激光波长为1064nm，光束质量m2《2，最小线宽为0.01mm，设置激光头的光平均功率为20w，重复工作频率为20khz，每次输出激光脉冲为连续加工，烧蚀痕迹根据加工材料加工要求所确定，测试烧蚀痕迹为直线，可保证激光烧蚀产生的等离子辐射强度达到传感器采集信号的阈值；探测器阵列架上安装两个宽禁带algan探测器，一个不安装遮光片，一个安装厚度w＝3.9mm的遮光片。本发明系统宽禁带algan紫外光电二极管选用ltpl-g35uvsrh型的光电二极管，信号放大器选用半导体芯片lmv358，adc模块选用tm7705芯片，mcu选用stm32f407zgt6，金属靶材采用表面光滑的304不锈钢板。
[0062]
启动本发明装置，调整激光头位置至较高位置，然后打开定焦装置，手动向下调整激光头位置，遍历整个过程的紫外辐射信号，找出紫外信号最大值。手动向上调整激光头位置开始定焦，直至扬声器长响，表示到达激光焦点位置。关闭装置。
[0063]
为证明本发明中的适用于低中高功率激光的焦点判定装置是准确有效的，将未加装遮光片的探测器模块与安装了厚度为w＝3.9mm遮光片的探测器模块做实际测试，结果如图11所示，表明加装遮光片可以解决探测器数据的饱和问题，进而实现大动态响应范围。