專利名稱：一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置。尤其是對激光切割領(lǐng)域中的激光光束的發(fā)散角和光束質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)診斷和校正的裝置。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)70年代激光加工技術(shù)產(chǎn)生以來，激光加工技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到應(yīng)用，現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，更是進(jìn)一步拓寬了激光加工設(shè)備的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年全球激光設(shè)備銷售總額達(dá)28億美元，2003年全球激光設(shè)備銷售額已經(jīng)達(dá)到43. 18億美元，而到2007年和2008年該數(shù)額進(jìn)一步提高為61. 32和63. 60億美元。C02激光器(10. 6 μ m)和Nd =YAG激光器是應(yīng)用最廣泛的兩種激光器。從國外激光加工系統(tǒng)應(yīng)用方式來看，以2001年為例，激光切割占總銷售額的37%，激光標(biāo)記占36%，激光焊接占12%，激光微加工占10%，激光打孔 占2%，其它應(yīng)用占3%。上個(gè)世紀(jì)90年代以前，追求高功率的輸出激光是激光研究者和激光工業(yè)界的首要目標(biāo)，而很大程度上忽略了激光光束質(zhì)量的重要性。隨著激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，以及相應(yīng)科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)的提高，人們越來越意識到，光束質(zhì)量良好的激光往往比高功率但是光束質(zhì)量較差的激光更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，工業(yè)界已經(jīng)公認(rèn)激光光束質(zhì)量對激光加工過程及加工質(zhì)量均有很大影響。評價(jià)光束質(zhì)量的指標(biāo)有多種，主要有激光發(fā)散角和激光模式等參數(shù)，普遍認(rèn)為，激光模式越高，光斑半徑越大，發(fā)散角也越大，光束質(zhì)量越差。在不同的場合也可以有不同的描述光束質(zhì)量的方法。對激光加工而言，主要利用的是激光的能量集中特性，即利用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面，在數(shù)微秒的時(shí)間內(nèi)，光斑區(qū)的溫度升高到材料的熔點(diǎn)，甚至沸點(diǎn)，材料被熔化和汽化，實(shí)現(xiàn)加工。因此，人們更多關(guān)注的是激光的聚焦性能，比如聚焦光斑的尺寸、能量密度以及強(qiáng)度分布等等。對不同的加工方法有不同的要求。例如，激光熱處理只是表面加熱，激光功率密度的要求較低，光斑尺寸較大，但要求光強(qiáng)分布要均勻；對于激光焊接，由于要達(dá)到金屬熔化，并實(shí)現(xiàn)一定的焊縫寬度及深度，因此要求有較高的功率密度；對于激光切割，由于金屬要達(dá)到汽化，就要求光斑尺寸更小、功率密度更高。因此，在激光加工中，所謂好的光束質(zhì)量，通常意味著高的焦斑能量密度和能量集中度。目前，大功率激光器的光束質(zhì)量難以做到理想，追求大功率的激光一般是以犧牲光束質(zhì)量為代價(jià)。光束質(zhì)量不理想，導(dǎo)致激光的聚焦性能下降，聚焦后形成的焦斑尺寸較大、能量密度相對較低，因而使得激光設(shè)備在加工質(zhì)量、加工能力等方面均受到影響，難以發(fā)揮預(yù)期的效能。此外，由于激光光束存在一定的發(fā)散角，使得激光加工設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如飛行光路技術(shù)、焦點(diǎn)位置自動(dòng)測量與控制技術(shù)等受到影響而難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置。該裝置提取激光光束對耐火材料形成的燒蝕圖像或者在被加工材料上形成的加工痕跡圖像，對激光光束，尤其是加工用激光光束的發(fā)散角和光束質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)診斷，并驅(qū)動(dòng)變形校正器件開展自動(dòng)校正，從而幫助激光設(shè)備保持良好和穩(wěn)定的工作狀態(tài)，最大程度地提高加工能力和效率。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是如圖I所示，在激光加工設(shè)備的傳輸光路中嵌入診斷裝置和變形校正裝置。變形校正裝置由輔助反射鏡(圖例中為2)及變形鏡(圖例中為3)組成。診斷裝置為可見光探測器(CCD或CMOS)配成像鏡頭，用來實(shí)時(shí)獲取燒蝕圖像，通過更換或調(diào)整成像鏡頭，還需要獲取被加工材料上形成的加工痕跡圖像。裝置工作時(shí)，診斷裝置獲取燒蝕圖像或加工材料上的加工痕跡圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)一定的算法處理，提供反饋信息來驅(qū)動(dòng)變形校正裝置工作，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對激光束的發(fā)散角和激光光束質(zhì)量的校正。具體的，本發(fā)明提出一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置，該裝置利用配成像鏡頭的可見光探測器對激光在被加工材料上形成的加工痕跡實(shí)時(shí)成像，利用加工形成的切縫信息，判斷并控制激光光束的光束質(zhì)量；激光器輸出的光束先后經(jīng)第一輔助反射鏡I、第二輔助反射鏡2、第一變形鏡3、第三輔助反射鏡4、第二變形鏡5反射后，經(jīng)聚焦鏡頭6聚集于被加工件9上，輔助光源8用來照明被加工件9，診斷裝置7用于記錄切割的切縫信息；根據(jù)切割的切縫信息作為反饋，計(jì)算機(jī)根據(jù)優(yōu)化算法計(jì)算出控制信號并驅(qū)動(dòng)第一變形鏡3產(chǎn)生變形，同時(shí)控制第二變形鏡5，使得第二變形鏡5面形與第一變形鏡3面形中的球面分量大小相同，曲率方向相反；第一變形鏡3和第二變形鏡5的面形變化又會使激光加工的切縫信息發(fā)生變化，根據(jù)切縫信息的變化，計(jì)算機(jī)根據(jù)優(yōu)化算法控制變形鏡面形，直到加工的切縫信息到達(dá)預(yù)期水平；此時(shí)激光加工的加工質(zhì)量得到改善，也實(shí)現(xiàn)了對激光光束的光束質(zhì)量校正。


圖I為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如下如圖I所示，調(diào)整各光學(xué)件，使激光器輸出的光束先后經(jīng)第一輔助反射鏡I、第二輔助反射鏡2、第一變形鏡3、第三輔助反射鏡4、第二變形鏡5反射后，經(jīng)聚焦透鏡6對被加工件9進(jìn)行切割，CXD記錄激光切割信息。在加工過程中產(chǎn)生的弧光會淹沒圖像信號，這時(shí)，可以利用輔助光源8來照明被加工件輔助光源8可以是寬譜的LED光源，在診斷裝置7前面放置窄帶濾波片，被加工件9上反射的弧光等雜光光線在進(jìn)入診斷裝置7時(shí)即可被濾掉。根據(jù)多次記錄得到的切縫信息圖片，計(jì)算機(jī)計(jì)算出切縫的寬度(或切深)，切縫寬度計(jì)算方式為W=dl-dO，do和dl是切縫信息圖片中橫坐標(biāo)(或縱坐標(biāo))方向上第一次和最后一次到達(dá)指定灰度值Vd (dl，dO，Vd是大于零的實(shí)數(shù)，且dl>d0)的坐標(biāo)位置，切縫切深計(jì)算方式為D=sl-sO，SO和Si是切縫信息圖片中橫坐標(biāo)(或縱坐標(biāo))方向上最高和最低灰度值(si, s0是大于零的實(shí)數(shù)，且sl>s0)，根據(jù)計(jì)算得到的切縫寬度(或深度)作為反饋，計(jì)算機(jī)根據(jù)優(yōu)化算法(如隨機(jī)下降控制算法，計(jì)算過程可以參考文獻(xiàn)“自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)并行梯度下降控制算法仿真與分析”，光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27 (8): 1355 1360 ;與上述文獻(xiàn)不同的是文獻(xiàn)中采用的性能指標(biāo)被替換成切縫信息)，計(jì)算出第一變形鏡3提高激光切割質(zhì)量所需的面形分布，控制第一變形鏡3產(chǎn)生所需面形分布，同時(shí)控制第二變形鏡5產(chǎn)生與第一變形鏡3面形中球面部分大小相同，曲率方向相反的面形；第一變形鏡3和第二變形鏡5的面形變化又會使激光加工的切縫、切深等發(fā)生變化，根據(jù)變化后的切縫(或切深)等信息，計(jì)算機(jī)第2次根據(jù)優(yōu)化算法控制第一變形鏡3和第二變形鏡5，優(yōu)化切縫、切深等信息，利用切縫的反饋信息計(jì)算機(jī)執(zhí)行第3次，第4次…第N次(N是大于零的整數(shù))上述計(jì)算機(jī)控制過程，直到加工的切縫變細(xì)、變銳，同時(shí)切縫加深。此時(shí)即可認(rèn)為激光加工的加工質(zhì)量得到改善，也實(shí)現(xiàn)了對激光光束的光 束質(zhì)量校正。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置，其特征在于該裝置利用成像鏡頭的可見光探測器對激光在被加工材料上形成的加工痕跡實(shí)時(shí)成像，利用加工形成的切縫信息，判斷并控制激光光束的光束質(zhì)量；激光器輸出的光束先后經(jīng)第一輔助反射鏡(I)、第二輔助反射鏡(2)、第一變形鏡(3)、第三輔助反射鏡(4)、第二變形鏡(5)反射后，經(jīng)聚焦鏡頭(6)聚集于被加工件(9)上，輔助光源(8)用來照明被加工件(9)，診斷裝置(7)用于記錄切割的切縫信息圖片；計(jì)算機(jī)根據(jù)記錄的切縫信息圖片，計(jì)算出切縫寬度，切縫寬度計(jì)算方式為W=dl-dO，dO和dl是切縫信息圖片中橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)方向上第一次和最后一次到達(dá)指定灰度值Vd的坐標(biāo)位置，dl，dO，Vd是大于零的實(shí)數(shù)，且dl>dO ;根據(jù)計(jì)算得到的切縫寬度作為反饋，計(jì)算機(jī)根據(jù)優(yōu)化算法驅(qū)動(dòng)第一變形鏡(3)產(chǎn)生變形，同時(shí)控制第二變形鏡(5)，使得第二變形鏡(5)面形與第一變形鏡(3)面形中的球面分量大小相同，曲率方向相反；第一變形鏡(3)和第二變形鏡(5)的面形變化又會使激光加工的切縫寬度的發(fā)生變化，根據(jù)切縫寬度的變化，計(jì)算機(jī)再次根據(jù)優(yōu)化算控制變形鏡面形，直到加工的切縫寬度到達(dá)預(yù)期水平；此時(shí)激光加工的加工質(zhì)量得到改善，也實(shí)現(xiàn)了對激光光束的光束質(zhì)量校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置，其特征在于，該裝置利用能夠改變面形的變形鏡來對激光光束的發(fā)散角和光束質(zhì)量進(jìn)行校正。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置，其特征在于，該裝置對加工痕跡實(shí)時(shí)成像，裝置中可以利用加工形成的切縫寬度和切深信息作為反饋，驅(qū)動(dòng)變形鏡對激光光束的光束質(zhì)量進(jìn)行校正，切縫切深計(jì)算方式為D=sl-sO，sO和Si是切縫信息圖片中橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)方向上最高和最低灰度值，si, sO是大于零的實(shí)數(shù)，且 sl>s0。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置，其特征在于，該裝置中的優(yōu)化算法包括隨機(jī)梯度下降算法或爬山法或遺傳算法或蟻群算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置，其特征在于，該裝置使用的變形鏡采用PZT材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)診斷并校正激光光束發(fā)散角及光束質(zhì)量的裝置。該裝置提取激光光束對耐火材料形成的燒蝕圖像或者激光在被加工材料上形成的加工痕跡圖像，對激光光束，尤其是加工用激光光束的發(fā)散角和光束質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)診斷，并利用光學(xué)變形裝置如變形鏡來對激光光束的發(fā)散角和光束質(zhì)量進(jìn)行校正，從而幫助激光設(shè)備保持良好和穩(wěn)定的工作狀態(tài)，最大程度地提高加工能力和效率。
文檔編號B23K26/36GK102658431SQ20121015416
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者周虹, 王海英, 黃林海 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所