專利名稱：激光焦點定位系統及將材料定位于激光焦點處的方法
技術領域：
本發明涉及一種對光學材料表面激光損傷閾值測量(或表面激光加工過程)中材料表面定位的裝置和方法，尤其涉及一種激光焦點的定位系統及其定位方法。
背景技術：
激光經過會聚透鏡系統在焦點位置形成最小的光斑尺寸，并達到最大的功率密度，利用這一特點可以對焦點進行定位。在光學窗口玻璃、薄膜以及晶體等光學材料的表面激光損傷閾值測量中，將材料表面定位在焦點位置可以降低損傷難度。并且，在激光精確加工操作中，將材料表面準確定位在焦點位置能夠實現最高的加工精度。
強激光作用下，光學窗口玻璃、薄膜襯底以及晶體等材料會產生非線性效應，如自聚焦效應。該效應會使入射激光在材料內部形成會聚作用，加速材料損傷，從而影響表面損傷閾值的測量。采用大數值孔徑、短焦距系統對激光束進行聚焦，可形成更小的聚焦光斑尺寸以及更大的會聚角度，保證只有焦點位置的激光功率密度能夠達到材料的損傷閾值， 而焦點前后，激光束迅速發散，強度迅速下降，可有效抑制非線性光學效應對閾值測量的影響。同時，更小的聚焦光斑可以使激光加工的精度更高。
當入射激光為平面波時，經過透鏡會聚在焦點處形成的艾里斑直徑為 d = l.22xf，其中，λ為激光波長，f為聚焦系統焦距，D為聚焦系統孔徑。可見，在理論情況下，聚焦光斑大小與會聚系統焦距成正比，焦距越小，得到的聚焦光斑尺寸也越小。實際情況下，激光器輸出激光束不是理想平面波，因此聚焦光斑要大于理論值。聚焦光斑大小實際由光束質量和會聚系統共同決定，從而焦點處的激光功率密度也由兩者與激光器輸出功率共同決定。
當焦點處的激光功率密度達到一定水平時能夠使材料發生電離，并發射出肉眼可觀察的等離子體光線，該效應已經被應用于手動對焦操作。執行者在操作中邊移動材料位置邊觀察光斑區域，當出現等離子光線如白光時即停止移動，完成材料表面在焦點的定位操作。該方法會因執行者的不同而出現不同的執行效果。
進一步，利用光電傳感器探測等離子體光線，能夠實現焦點位置的自動定位，例如，日本專利文獻特開平6-7980號公報。在利用激光作用待測或待加工材料表面形成的等離子體光線對材料進行焦點定位時，首先會因激光焦點區域本身存在一定空間尺度而帶來定位誤差，無法確定材料表面是否定位在焦點區域中心位置。尤其在短焦距透鏡聚焦條件下，由于激光束在焦點前后快速發散，該定位誤差將使實際作用在材料表面的激光光斑尺寸大于焦點光斑尺寸，從而影響表面損傷閾值的測量結果以及降低加工精度。并且，由于相同的激光強度在不同材料表面激發出的等離子體光線強度不同，因此，定位的效果會因材料不同而出現差異。另外，焦點區域的大小以及材料表面到焦點的距離無法直接跟蹤觀測， 定位誤差難以控制。發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種精度高、結構簡單、制作方便、適應性強的激光焦點定位系統。還提供一種操作簡便、定位精度高、人工因素干預較小、適應范圍廣的將待測或待加工光學材料表面定位于激光焦點處的方法。
為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種激光焦點定位系統，包括激光器、會聚透鏡和材料平移裝置；所述激光器輸出的激光束垂直入射到會聚透鏡上，經會聚透鏡聚焦后再入射到材料平移裝置上裝夾的將待測或待加工光學材料表面，所述激光束經會聚透鏡聚焦后使激光焦點處的空氣發生電離產生一等等離子體亮點，該等離子體亮點通過待測或待加工光學材料表面形成一亮點鏡像，所述激光焦點定位系統還包括一套可同時采集等離子體亮點和亮點鏡像的圖像并進行圖像輸出的CCD顯微成像系統。
上述的激光焦點定位系統可以適用于各種焦距的會聚透鏡，但是在利用短焦距透鏡進行緊聚焦情況下，因為焦點光斑面積更小，更容易提升激光功率密度從而形成空氣電離；此外，焦點前后激光束發散程度更大，對定位誤差的要求更嚴格，使用本發明的激光焦點定位系統會取得更好的效果，因此，所述的會聚透鏡優選為短焦距聚焦透鏡，其焦距控制范圍優選為Imm到30mm。
上述的激光焦點定位系統中，所述激光器輸出的激光束的光束質量M2因子控制范圍優選為I 2，所述激光束經會聚透鏡聚焦后在焦點處的激光功率密度可達到TW/m2量級。
上述的激光焦點定位系統中，所述CXD顯微成像系統優選包括CXD相機、顯微鏡頭、相機平移裝置、數據線和圖像輸出設備，所述CCD相機安裝在相機平移裝置上，所述CCD 相機通過數據線與所述圖像輸出設備相連接，顯微鏡頭安裝于CCD相機上。所述顯微成像系統中顯微鏡頭的放大倍率優選為I到40倍。
上述的激光焦點定位系統中，所述激光器和會聚透鏡之間的光路上優選增設一可調型激光裳減片系統，所述激光裳減片系統包括裳減片固定支架，裳減片固定支架上裝設有可變數量的激光衰減片。操作過程中，通過在衰減片固定支架上添加或減少激光衰減片實現對透射激光強度的調節。
作為一個總的技術構思，本發明還提供一種將待測或待加工光學材料定位于激光焦點處的方法，包括以下步驟
(I)形成等離子體亮點開啟激光器，使從激光器中發射的激光束先通過一可調型激光衰減片系統，再入射到一會聚透鏡上，通過調節激光器的輸出功率和/或激光衰減片系統控制入射到會聚透鏡上的激光功率，再利用短焦距會聚透鏡控制焦斑大小，使焦點處的激光功率密度達到IO12WAi2量級，從而在焦點處產生空氣電離形成一等離子體亮點；
(2)形成亮點鏡像將待測或待加工光學材料裝夾于材料平移裝置上，使材料表面垂直于激光束，調整材料平移裝置使材料表面對準等離子體亮點，再通過調整材料平移裝置使所述待測或待加工光學材料沿會聚透鏡的光軸逐漸靠近等離子體亮點，直至等離子體亮點能在所述待測或待加工光學材料表面形成清晰的亮點鏡像，停止材料平移裝置的移動；
(3)采集輸出圖像通過一安裝有顯微鏡頭的C⑶相機采集所述等離子體亮點和亮點鏡像的圖像，并將圖像實時輸出到圖像輸出設備，根據輸出的圖像畫面不斷調整材料平移裝置和/或CCD相機的相機平移裝置，直至等離子體亮點和亮點鏡像均進入CCD相機的視場；
(4)最終定位再次調節材料平移裝置，使所述待測或待加工光學材料沿會聚透鏡的光軸繼續靠近等離子體亮點，直至從圖像輸出設備輸出的圖像中觀察到等離子體亮點和亮點鏡像完全重合，完成待測或待加工光學材料在激光焦點處的定位操作。
上述的將待測或待加工光學材料定位于激光焦點處的方法，在所述步驟(3)與步驟(4)之間，優選增加一調節亮點大小的操作步驟，該步驟的具體操作方式為通過調節激光器的輸出功率和/或激光衰減片系統以逐漸減弱所述等離子體亮點和亮點鏡像的亮度， 直至等離子體亮點和亮點鏡像剛好能被所述安裝顯微鏡頭的CCD相機探測到。
本發明上述技術方案主要基于以下原理利用聚焦激光在焦點處形成空氣電離， 從而發射出等離子體光線形成可探測的等離子體亮點，該等離子體亮點通過待測或待加工光學材料表面會形成一個亮點鏡像，再調整(XD顯微成像系統使二者同時位于(XD相機的視場中，并通過圖像輸出設備實時觀察前述的等離子體亮點和亮點鏡像；根據鏡面成像原理，待測或待加工光學材料表面將垂直并等分等離子體亮點和亮點鏡像的連線，然后控制待測或待加工光學材料向等離子體亮點靠近，同時觀察CCD顯微成像系統輸出畫面中等離子體亮點和亮點鏡像逐漸靠近的過程，當二者相互重疊時，即完成材料表面在焦點處的定位操作。
與現有技術相比，本發明的優點在于
(I)本發明的技術方案利用激光對空氣電離所發射的等離子體光線作為參照物進行焦點定位，而不是利用激光直接激發出待測或待加工光學材料表面的等離子體，這樣首先避免了材料剛接觸焦點區域邊緣即被激光電離而造成的定位誤差；
(2)本發明的技術方案是利用激光對空氣的電離效應進行定位，相比利用激光對光學材料的電離效應進行定位的操作方式，本發明排除了因光學材料激光電離特性不同所帶來的定位差異性，換言之，本發明可適用于不同材質的待測或待加工光學材料的定位，且能夠達到相同的定位精度，一般僅要求光學材料表面平整光滑即可；
(3)本發明的技術方案通過引入CXD顯微成像系統可以從焦點區域的側面觀測到空氣電離區域的大小，利用鏡面成像原理即可方便地將待測或待加工光學材料表面定位在焦點區域的中心位置，操作簡便、直觀，有利于進一步提高定位精度。
總的來說，本發明的定位系統具有精度高、結構簡單、制作方便、適應性強的特點， 與之相配套，本發明的定位方法不僅操作簡便、定位精度高，而且人工因素干預較小，適應范圍廣，本發明的技術方案對后續光學材料(例如光學窗口玻璃、薄膜以及晶體材料等)的損傷閾值測量及表面高精度加工具有重要意義。


圖I為本發明實施例中的激光焦點定位系統的結構示意及原理圖。
圖2為本發明實施例中可調型激光裳減片系統的結構不意圖。
圖3為本發明實施例的定位方法中待測材料及亮點鏡像的移動方向示意圖。
圖4為本發明實施例中采用短焦距透鏡聚焦得到的焦點光斑示意圖。
圖5為本發明實施例中采用普通聚焦方式得到焦點光斑示意圖。
圖例說明
I、激光器；2、激光束；3、激光衰減片系統；4、會聚透鏡；5、材料平移裝置；6、材料平移臺Y軸；7、材料平移臺X軸；8、材料平移臺Z軸；9、等離子體亮點；10、亮點鏡像；11、 待測或待加工光學材料；12、C⑶相機；13、顯微鏡頭；14、圖像輸出設備；15、數據線；16、相機平移臺Z軸；17、相機平移臺Y軸；18、相機平移臺X軸；19、相機平移裝置；20、衰減片固定支架；21、第一激光衰減片；22、第二激光衰減片；23、第三激光衰減片；24、長焦距會聚透鏡；25、長焦距透鏡焦點。
具體實施方式
以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。
實施例
一種如圖I所示本發明的激光焦點定位系統，包括激光器I、可調型激光衰減片系統3、會聚透鏡4、材料平移裝置5和CXD顯微成像系統，激光器I輸出的激光束2先經過激光衰減片系統3，再平行于會聚透鏡4的光軸垂直入射到會聚透鏡4上，經會聚透鏡4聚焦后輸出的光束入射到材料平移裝置5上裝夾的待測或待加工光學材料11表面。本實施例的激光器I輸出波長為800nm，最大輸出平均功率為5W，光束質量因子M2為I. 2。本實施例的會聚透鏡4為一短焦距聚焦透鏡，其焦距為10mm。如圖2所示，本實施例的可調型激光衰減片系統3包括一衰減片固定支架20，衰減片固定支架20上裝設有平行間隔布置的第一激光衰減片21、第二激光衰減片22和第三激光衰減片23，這三個激光衰減片均布設在激光束2的傳播光路上且垂直于激光束2的入射方向。本實施例的材料平移裝置5為三維可調型移動設備，其三個維度分別是指材料平移臺Y軸6、材料平移臺X軸7和材料平移臺Z軸 8，其中使材料平移臺Z軸8平行于激光束2的光路方向(即會聚透鏡4的光軸方向)，材料平移臺Y軸6和材料平移臺X軸7垂直于激光束2的光路方向。將待測或待加工光學材料 11裝設在材料平移裝置5上，并使材料表面垂直于激光束2。
本實施例中，激光束2經會聚透鏡4聚焦，產生空氣電離形成等離子體亮點9，該等離子體亮點9通過待測或待加工光學材料11表面形成一亮點鏡像10，裝設顯微鏡頭13 的CCD顯微成像系統可同時采集等離子體亮點9和亮點鏡像10的圖像并實時輸出到圖像輸出設備14上。本實施例的(XD顯微成像系統裝設于激光束2傳播光路的一側,包括(XD 相機12、顯微鏡頭13、相機平移裝置19和圖像輸出設備14(本實施例的圖像輸出設備是指裝有圖像采集、處理系統的計算機，且該計算機帶有輸出圖像的顯示設備)，顯微鏡頭13的放大倍率為10倍，C⑶相機12安裝在相機平移裝置19上，CXD相機12通過數據線15與圖像輸出設備14相連接，CXD相機12拍攝的圖像畫面可通過圖像輸出設備14的顯示器實時輸出。為保證整個CXD顯微成像系統不會對光束傳播、材料平移及成像造成阻礙，本實施例中顯微鏡頭13的工作距離為30mm，顯微鏡頭13的光軸與激光束2的光軸夾角約為45°。 本實施例中的相機平移裝置19同樣為三維可調型移動設備，其三個維度分別是指相機平移臺Z軸16、相機平移臺Y軸17和相機平移臺X軸18，其中相機平移臺Z軸16控制顯微鏡頭13與等離子體亮點9的遠近，相機平移臺Y軸17和相機平移臺X軸18所在的平面與會聚透鏡4光軸的夾角約為45°。
一種本發明的將待測或待加工光學材料定位于激光焦點處的方法，該方法用到本實施例上述的激光焦點定位系統，具體包括以下步驟
(I)形成等離子體亮點開啟激光器1，使從激光器I中發射的激光束2先通過一可調型的激光衰減片系統3，再垂直入射到一會聚透鏡4上，經會聚透鏡4輸出后形成激光焦點；通過調節激光器I的輸出功率和/或激光衰減片系統3 (例如調整第一激光衰減片21、第二激光衰減片22和第三激光衰減片23布設降低衰減量)，使到達會聚透鏡4表面的激光功率為5W，經會聚透鏡4聚焦后得到焦點處光斑直徑為6 μ m，平均激光功率密度為O. 18X1012W/m2，該功率密度下，焦點處的空氣被電離產生一肉眼可觀察的等離子體亮點 9 ；
(2)形成亮點鏡像將待測或待加工光學材料11裝夾于材料平移裝置5上，使材料平移臺Z軸8與會聚透鏡4的光軸平行，此時材料表面垂直于激光束2的傳播光路；先調整材料平移裝置5的材料平移臺Y軸6和材料平移臺X軸7，使材料表面對準上述形成的等離子體亮點9，再通過調整材料平移裝置5的材料平移臺Z軸8，使待測或待加工光學材料 11沿會聚透鏡4的光軸逐漸靠近等離子體亮點9，直至等離子體亮點9能在待測或待加工光學材料11表面形成清晰的亮點鏡像10，停止材料平移裝置5的移動(本步驟的光路調整階段不要使材料表面接觸等離子體亮點9，以免待測或待加工光學材料11發生激光燒蝕， 間隔的距離以恰好能清晰觀察到亮點鏡像10為準)；
(3)采集輸出圖像通過裝設顯微鏡頭13的(XD相機12同時采集上述等離子體亮點9和亮點鏡像10的圖像，并將圖像實時輸出到圖像輸出設備14，采集時先將CCD相機 12的顯微鏡頭13正對焦點處的等離子體亮點9，并將等離子體亮點9的圖像通過圖像輸出設備14實時輸出，根據輸出的圖像畫面不斷調整CCD相機12的相機平移裝置19，使CCD顯微成像系統對焦點處的等離子體亮點9清晰成像，進一步調節材料平移裝置5使材料表面進一步罪近等尚子體売點9,以保證等尚子體売點9和売點鏡像10均進入(XD相機12的視場；帶顯微鏡頭13的CCD相機12的布置及相機平移裝置19的調節過程均要求顯微鏡頭 13不能接觸待測或待加工光學材料11，也不能阻擋激光束2的傳播光路；
(4)調節亮點大小通過調節激光器I的輸出功率和/或激光衰減片系統3以逐漸減弱等離子體亮點9和亮點鏡像10的亮度，直至等離子體亮點9和亮點鏡像10剛好能被CXD相機12探測到，此時通過CXD顯微成像系統觀察到的等離子體亮點9和亮點鏡像10 最小，對應激光焦點處的等離子體區域最小，此時通過等離子體亮點9確定的焦點位置也最為精準；
(5)最終定位再次調節材料平移裝置5的材料平移臺Z軸8，使待測或待加工光學材料11沿會聚透鏡4的光軸繼續靠近等離子體亮點9，同時觀察圖像輸出設備14實時輸出的圖像，此時可以觀察到激光焦點處的等離子體亮點9和亮點鏡像10也在相互靠近，如圖3所示，根據鏡面成像原理，當待測或待加工光學材料11向等離子體亮點9靠近時，亮點鏡像10會以兩倍于材料的平移速度向等離子體亮點9靠近，而材料表面則始終位于等離子體亮點9和亮點鏡像10連線的中心位置，直至從圖像輸出設備14輸出的圖像中觀察到等離子體亮點9和亮點鏡像10完全重合，即完成待測或待加工光學材料11在激光焦點處的定位操作。
本實施例中的激光束2處于如圖4所示的短焦距透鏡聚焦狀態下，通過采用短焦距會聚透鏡4，一方面可以降低激光束焦點光斑大小，有利于空氣電離并發射等離子體光線，另一方面在激光加工中可以提高加工的精度；與圖5所示的利用長焦距會聚透鏡24聚焦時形成的長焦距焦點25大小進行對比可知，在短焦距透鏡聚焦狀態下，激光束在焦點前后發散更大，此時對材料表面的定位控制更加精準。
權利要求
1.一種激光焦點定位系統，包括激光器(I)、會聚透鏡(4)和材料平移裝置(5)，所述激光器(I)輸出的激光束(2)入射到會聚透鏡(4)上，經會聚透鏡(4)聚焦后輸出的光束入射到材料平移裝置(5)上裝夾的待測或待加工光學材料(11)表面，其特征在于所述激光束(2)經會聚透鏡(4)聚焦后使激光焦點處的空氣發生電離產生一等離子體亮點(9)，該等離子體亮點(9)通過待測或待加工光學材料(11)表面形成一亮點鏡像(10)，所述激光焦點定位系統還包括一可同時采集等離子體亮點(9)和亮點鏡像(10)的圖像并進行輸出的CXD顯微成像系統。
2.根據權利要求I所述的激光焦點定位系統，其特征在于所述會聚透鏡(4)為短焦距聚焦透鏡，所述會聚透鏡(4)的焦距控制范圍為Imm到30mm。
3.根據權利要求I或2所述的激光焦點定位系統，其特征在于所述激光器(I)輸出的激光束(2)的光束質量M2因子控制范圍為I 2。
4.根據權利要求I或2所述的激光焦點定位系統，其特征在于所述CCD顯微成像系統包括C⑶相機(12)、顯微鏡頭(13)、圖像輸出設備(14)、數據線(15)以及相機平移裝置(19)，所述C⑶相機(12)安裝在相機平移裝置(19)上，并通過數據線(15)與圖像輸出設備(14)相連接，顯微鏡頭(13)安裝于C⑶相機(12)上。
5.根據權利要求4所述的激光焦點定位系統，其特征在于所述顯微鏡頭(13)的放大倍率為I到40倍。
6.根據權利要求I或2所述的激光焦點定位系統，其特征在于所述激光器(I)和會聚透鏡(4)之間的光路上增設一可調型激光衰減片系統(3)，所述激光衰減片系統(3)包括衰減片固定支架(20 )，衰減片固定支架(20 )上裝設有可變數量的激光衰減片。
7.一種將待測或待加工光學材料定位于激光焦點處的方法，包括以下步驟 (1)形成等離子體亮點開啟激光器(1)，使從激光器(I)中發射的激光束(2)先通過一可調型激光衰減片系統(3)，再入射到一會聚透鏡(4)上，通過調節激光器(I)的輸出功率和/或激光衰減片系統(3)，使經會聚透鏡(4)聚焦后輸出的光束在焦點處的空氣中產生一等尚子體売點(9)； (2)形成亮點鏡像將待測或待加工光學材料(11)裝夾于材料平移裝置(5)上，使材料表面垂直于激光束(2)，調整材料平移裝置(5)使材料表面對準等離子體亮點(9)，再通過調整材料平移裝置(5 )使所述待測或待加工光學材料(11)沿會聚透鏡(4)的光軸逐漸靠近等離子體亮點(9)，直至等離子體亮點(9)能在所述待測或待加工光學材料(11)表面形成清晰的亮點鏡像(10)，停止材料平移裝置(5)的移動； (3 )采集輸出圖像通過一安裝有顯微鏡頭(13 )的C⑶相機(12 )同時采集所述等離子體亮點(9)和亮點鏡像(10)的圖像，并將圖像實時輸出到圖像輸出設備(14)，根據輸出的圖像畫面不斷調整材料平移裝置(5)和/或CXD相機(12)的相機平移裝置(19)，直至等離子體亮點(9)和亮點鏡像(10)均進入CXD相機(12)的視場； (4)最終定位再次調節材料平移裝置(5)，使所述待測或待加工光學材料(11)沿會聚透鏡(4)的光軸繼續靠近等離子體亮點(9)，直至從圖像輸出設備(14)輸出的圖像中觀察到等離子體亮點(9)和亮點鏡像(10)完全重合，完成待測或待加工光學材料在激光焦點處的定位操作。
8.根據權利要求7所述的將待測或待加工光學材料定位于激光焦點處的方法，其特征在于，在所述步驟(3)與步驟(4)之間，增加一調節亮點大小的操作步驟，該步驟的具體操作方式為通過調節激光器(I)的輸出功率和/或激光衰減片系統(3)以逐漸減弱所述等離子體亮點(9)和亮點鏡像(10)的亮度，直至等離子體亮點(9)和亮點鏡像(10)剛好能被所述C⑶相機( 12)探測到。
全文摘要
本發明公開了一種激光焦點定位系統，包括激光器、會聚透鏡和材料平移裝置，激光器輸出的激光束入射到會聚透鏡上，經聚焦后入射到材料平移裝置上裝夾的光學材料表面，激光束經聚焦后產生等離子體亮點，該亮點通過光學材料表面形成一亮點鏡像，另設置一可同時采集等離子體亮點和亮點鏡像的圖像并進行輸出的CCD顯微成像系統。本發明還公開了一種將光學材料定位于激光焦點處的方法先通過調節激光器等使聚焦后輸出的激光束產生一等離子體亮點；控制材料表面逐漸靠近等離子體亮點，直至形成亮點鏡像；使等離子體亮點及其鏡像均進入CCD顯微成像系統的視場，直至觀察到二者完全重合。本發明具有操作簡便、定位精度高、人工因素干預較小等優點。
文檔編號B23K26/04GK102974936SQ20121043190
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月2日 優先權日2012年11月2日
發明者朱志武, 程湘愛, 江天, 許中杰, 黃良金, 鄭鑫, 邱偉成, 劉澤金 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學