高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置及方法，测量装置包括探针激光器、光束匀化器、介质膜全反镜、滤光片、分束片、积分球和摄像机。利用均匀的低功率可见激光束对金属的烧蚀孔洞进行投影，再通过积分球和摄像机测量穿过孔洞的投影光斑，达到孔洞形状和面积实时测量的目的，具有精度高，耗时少，方便快捷、安全可靠的特点。

A real-time measuring device and method for the shape and area of metal holes in high power laser breakdown

The invention discloses a device and a method for real-time measurement of metal hole shape and area by high-power laser, and the measuring device comprises a probe laser, a beam homogenizer, a dielectric membrane full reflector, a filter, a beam splitter, an integrating sphere and a video camera. The ablation holes on the metal projection using low power visible laser beam of uniform, and through the projection spot integrating sphere and camera measurement through hole, hole shape and area to achieve the purpose of real-time measurement, with high precision, less time-consuming, convenient, safe and reliable.

【技术实现步骤摘要】
高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置及方法
本专利技术属于激光技术及应用领域，涉及一种高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置和方法，尤其涉及一种利用低功率可见光作为探针光对金属熔孔进行实时测量的激光装置。
技术介绍
在高功率激光破坏金属目标的研究中，烧蚀穿孔是重要的破坏模式。激光击穿金属后，穿孔面积直接决定了高功率激光在目标上的能量沉积效率。如果金属处于气流环境中，穿孔形状将影响金属表面的气动特性。文献“切向气流环境中激光辐照下薄铝板响应初步研究，国防科技大学硕士论文，2012”第11页中，公开了一种切向气流作用下激光击穿金属薄板的研究方法和装置。该装置利用光电探测器直接探测高功率激光穿过金属后的散射光，以此判断激光击穿金属所用的时间。然后利用摄像机直接拍摄金属孔洞的形貌变化。该方法无法在激光辐照过程中实时监测金属穿孔形状和面积的变化，且从视频图像中精确提取穿孔形状和面积数据也需要复杂的计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用低功率探针激光，在线测量记录高功率激光击穿金属孔洞形状和面积的装置和方法，可以实时精确地监测激光击穿金属过程中孔洞形状和面积变化，具有精度高，计算方法简单，耗时少，适用范围广，安全可靠等特点。本专利技术的技术解决方案是提供一种高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的探针激光器1、光束匀化器2、第一介质膜全反镜51、第二介质膜全反镜52及分束镜9，还包括分别位于分束镜9两个分光光路中的积分球10和摄像机13；金属薄板6位于第一介质膜全反镜51与第二介质膜全反镜52之间；高功率激光束4经过第一介质膜全反镜51的反射穿过金属薄板6，在金属薄板6形成烧蚀孔洞7后再经过第二介质膜全反镜52反射出光路；上述探针激光器1发射探针激光束3进入光束匀化器2，匀化后的探针激光束3依次穿过第一介质膜全反镜51、金属薄板6上的烧蚀孔洞7、第二介质膜全反镜52后经分束镜9分束后分别进入积分球10和摄像机13，上述积分球10收集透过或反射出分束镜9的全部光束，上述摄像机13拍摄分束镜9的反射或透射光。优选地，为了进一步的避免高功率激光对摄像机13和积分球10的影响，本专利技术测量装置还包括位于第二介质膜全反镜52与分束镜9之间的滤光片8，上述滤光片8的截止范围包含高功率激光束4波段，不包含探针激光束3波段。优选地，上述探针激光束3为可见激光，探针激光束3的激光波长与高功率激光束4的波长不同，且探针激光束3的激光功率小于高功率激光束4的激光功率。优选地，上述探针激光器1发射的激光束的光斑尺寸大于烧蚀孔洞7的最大尺寸。优选地，上述的光束匀化器2能够将探针激光器1产生的激光转换成近准直的均匀光束，例如微透镜阵列、二元光学衍射元件等。优选地，上述第一介质膜全反镜51与第二介质膜全反镜52均为石英或K9玻璃材质，表面镀有均匀的介质膜；通过膜系设计使得上述第一介质膜全反镜51与第二介质膜全反镜52均对高功率激光束4波长范围的反射率大于99.9％，对探针激光束3波长范围的透过率大于90％。优选地，上述分束镜9与入射光呈45°角，将入射光按固定的强度比分成垂直的两束光。优选地，上述摄像机13也可以拍摄分束镜9的反射或透射光投影于白屏上的光斑形状；上述积分球10上安装有光电探测器11与信号记录仪12。本专利技术还提供一种利用上述的高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置实时测量高功率激光击穿金属孔洞形状和面积的方法，包括以下步骤：1)开启探针激光器1，将金属薄板6替换为开孔面积为1cm2的光阑14，信号记录仪12读数记为k；2)调节摄像机13的曝光度，获得清晰光斑图像；3)设置高功率激光束4的功率P、出光时间T和出光模式；4)将光阑14替换为金属薄板6，加载高功率激光束4，同时信号记录仪12开始采集数据V(t)，摄像机13开始拍摄；5)根据公式S(t)＝k*V(t)计算得到激光功率为P条件下金属薄板6面积变化；6)改变高功率激光束4的功率P、出光时间T和出光模式，重复步骤1)-5)得到不同输入条件下金属薄板6的烧蚀孔洞7的形状和面积变化。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术可以在高功率激光辐照金属薄板过程中实时监视、测量并记录金属穿孔的形状和面积变化；2、本专利技术采用低功率可见激光对金属穿洞进行投影，再通过摄像机和积分球进行测量记录，避免了摄像机直接拍摄高功率激光时动态范围不足的问题，具有安全可靠的特点；3、本专利技术可以直接获得金属穿孔面积绝对值，没有复杂的数据处理过程，具有方便快捷的特点；4、本专利技术可用于不同波长和模式的高功率激光辐照金属过程。附图说明图1是测量装置示意图；图2是实施例测量方法探针激光光阑定标示意图；图中附图标记为：1-探针激光器；2-光束匀化器；3-探针激光束；4-高功率激光束；51-第一介质膜全反镜；52-第二介质膜全反镜；6-金属薄板；7-烧蚀孔洞；8-滤光片；9-分束镜；10-积分球；11-光电探测器；12-信号记录仪；13-摄像机；14-光阑。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的描述。本专利技术提供了一种利用低功率探针激光，在线测量记录高功率激光击穿金属孔洞形状和面积的方法和装置，解决了现有技术不能实时精确监测激光击穿金属过程中孔洞形状和面积变化的问题。本专利技术测量装置的较佳实施例结构如图1所示，包括沿光路依次设置的探针激光器1、光束匀化器2、第一介质膜全反镜51、第二介质膜全反镜52、滤光片8、分束镜9，还包括分别设置在分束镜9两个分光光路中的积分球10和摄像机13；金属薄板6位于第一介质膜全反镜51与第二介质膜全反镜52之间；高功率激光束4经过第一介质膜全反镜51的反射穿过金属薄板6，在金属薄板6形成烧蚀孔洞7后再经过第二介质膜全反镜52反射出光路；探针激光器1发射低功率激光束-探针激光束3进入光束匀化器2，匀化后的探针激光束3依次穿过第一介质膜全反镜51、金属薄板6上的烧蚀孔洞7、第二介质膜全反镜52、滤光片8、经分束镜9分束后分别进入积分球10和摄像机13，积分球10上安装有光电探测器11及信号记录仪12。本实施例利用光束投影的方法实现金属孔洞形状和面积的实时测量。以工业中常用的1064nm高功率激光击穿金属为例，激光功率为1000W。探针激光器1选择波长为532nm、功率为5mW的绿光激光器。当高功率激光束4击穿金属薄板6后，穿过烧蚀孔洞7的1064nm激光透过第二介质膜全反镜52和滤光片8的功率小于0.01mW，对积分球10和摄像机13几乎不造成影响。而功率为5mW的绿色激光束80％以上的能量可以透过镜片组到达探测系统。由于探针激光束3是均匀的光束，所以到达积分球10的光强正比于烧蚀孔洞7的面积，从而达到实时记录面积值的效果。摄像机13拍摄的是低功率绿光的投影光斑，避免了直接拍摄高功率激光动态范围不足的问题。为了实现烧蚀孔洞面积的精确实时测量，本专利技术需要事先对积分球在探针激光辐照的响应率参数进行标定，如图2所示，采用开孔面积为1cm2的标准面积光阑14，获得探针激光穿过光阑14后的积分球10响应信号值，依次为定标基准，直接获得烧蚀穿孔后的绝对面积值，为后续激光辐照效应理论模拟提供试验数据。本实施例所提供的基于高功率激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的探针激光器(1)、光束匀化器(2)、第一介质膜全反镜(51)、第二介质膜全反镜(52)及分束镜(9)，还包括分别位于分束镜(9)两个分光光路中的积分球(10)和摄像机(13)；金属薄板(6)位于第一介质膜全反镜(51)与第二介质膜全反镜(52)之间；高功率激光束(4)经过第一介质膜全反镜(51)的反射穿过金属薄板(6)，在金属薄板(6)形成烧蚀孔洞(7)后再经过第二介质膜全反镜(52)反射出光路；所述探针激光器(1)发射探针激光束(3)进入光束匀化器(2)，匀化后的探针激光束(3)依次穿过第一介质膜全反镜(51)、金属薄板(6)上的烧蚀孔洞(7)、第二介质膜全反镜(52)后经分束镜(9)分束后分别进入积分球(10)和摄像机(13)，所述积分球(10)收集透过或反射出分束镜(9)的全部光束，所述摄像机(13)拍摄分束镜(9)的反射或透射光。

【技术特征摘要】
1.一种高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的探针激光器(1)、光束匀化器(2)、第一介质膜全反镜(51)、第二介质膜全反镜(52)及分束镜(9)，还包括分别位于分束镜(9)两个分光光路中的积分球(10)和摄像机(13)；金属薄板(6)位于第一介质膜全反镜(51)与第二介质膜全反镜(52)之间；高功率激光束(4)经过第一介质膜全反镜(51)的反射穿过金属薄板(6)，在金属薄板(6)形成烧蚀孔洞(7)后再经过第二介质膜全反镜(52)反射出光路；所述探针激光器(1)发射探针激光束(3)进入光束匀化器(2)，匀化后的探针激光束(3)依次穿过第一介质膜全反镜(51)、金属薄板(6)上的烧蚀孔洞(7)、第二介质膜全反镜(52)后经分束镜(9)分束后分别进入积分球(10)和摄像机(13)，所述积分球(10)收集透过或反射出分束镜(9)的全部光束，所述摄像机(13)拍摄分束镜(9)的反射或透射光。2.根据权利要求1所述的高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置，其特征在于：还包括位于第二介质膜全反镜(52)与分束镜(9)之间的滤光片(8)，所述滤光片(8)的截止范围包含高功率激光束(4)波段，不包含探针激光束(3)波段。3.根据权利要求2所述的高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置，其特征在于：所述探针激光束(3)为可见激光，探针激光束(3)的激光波长与高功率激光束(4)的波长不同，且探针激光束(3)的激光功率小于高功率激光束(4)的激光功率。4.根据权利要求3所述的高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置，其特征在于：探针激光器(1)发射的激光束的光斑尺寸大于烧蚀孔洞(7)的最大尺寸。5.根据权利要求4所述的高功率激光击穿金属孔洞形状和面积实时测量装置，其特征在于：所述的光束匀化器(2)能够...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛涛，韦成华，周孟莲，吕玉伟，王立君，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61