激光烧蚀成形光路与激光三角测量光路的集成刘劲松，李孟秋，金湘中（湖南大学激光研究所，长沙 ４１００８２）提要针对激光烧蚀不能严格控制沿光轴方向尺寸精度的问题，本文研究将激光三角 测量光路集成于激光烧蚀光路，测量数据反馈控制脉冲激光，讨论了光路集成中的若干问题。关键 词激光烧蚀，光学三角，光路ＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆａｎＯｐｔｉｃａｌＴｒｉａｎｇｕｌ ａｔｉｏｎａｎｄａＬａｓｅｒＡｂｌａｔｉｏｎＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ￥ＬｉｕＪｉｎｓ ｏｎｇ；ＬｉＭｅｎｑｉｕ；ＪｉｎＸｉａｎｇｚｈｏｎｇ（ＬａｓｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈ ｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｍ ｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎ ，ａｎｏｐｔｉｃａｌｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎ ｔｏａｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｄａｔａｍｅａｓｕｒｅｄａｒｅ ｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｌａｓｅｒ．Ｓ ｅｖｅｒａｌｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｃａｌｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏ ｎ；ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ激光加工有一固有的缺陷，即难于严格控制沿光轴方向的加工尺 寸，采用小焦深的聚焦光路并配合合适的峰值功率，可在一定程度上改善激光切削的尺寸精度［‘ ｊ，但材料的去除速度随之降低，要进一步改善激光切削的尺寸精度，同时又不致过份影响材料的 去除速度，必须采用测量反馈装置。激光三角测量具有非接触、速度快、精度高，易于与计算机联 接等优点，国外已将此应用于激光加工装置中用以监控激光切削的尺寸精度［’ｊ。本文研究将激 光三角测量装置装备于激光加工系统的若干问题。图１激光三角测量光路照明光路与接收光路的光 轴夹角对分辨率的影响喷嘴是激光加工中的一个重要部分，喷嘴的采用使激光加工光路与测量光路 容易发生干涉，所以照明光路与接收光路的光轴夹角ａ不能太小。图１为激光三角测量的物象光路 图，ＡＢ为物面（照明光路光轴），当物面与光轴（接收光路光轴）倾斜时，可以得到一个与之共 扼的、和光轴也是倾斜的像面，即图中的Ａ’Ｂ’。物点在物面的位移与像点在像面上的位移关系 为［’１。Ｌ。·Ｓ·ＳｌｌｌｒｐＬ。·ｓｌｎａ、ｓ·ｓｉｎ（＋ｒｐ）式中ｈ和Ｓ分别为物 面和像面位移，Ｌ。Ｌｉ分别为轴上点物距和像距，ａ和由分别为物面和像面与光轴的夹角，且＿ Ｌ。＋ｆ’ｔａｒｐ＝＝！｛－－－－－－－－·ｔａａ（２式中ｆ‘为物镜焦距。高等学校博士 学科点基金资助对（１）求微分，得分辨率方程当。＋０“及ａ、９０”时分辨率方程（３）分别 为如果采用感光面积为３ｍｍＸｌｍｍ的ＰＳＤ来接收物象，ＮＩＪｓ一士１．ｓｍｍ，取Ｌ。— 一２５ｍｍ上。一３７．ｓｍｍ，ｆ’一１５ｍｍ，据式（３）及（４）、（５）可求得ａ对分辨 率的影响如图２所示。由图２可以看出，随ａ增大，分辨率随之降低，ａ—８０”时的分辨率约为 ａ—１０”时分辨率的６０％。对于激光烧蚀尺寸精度一般要求为１～１０ｐｍ，可见，只要ＰＳ Ｄ能接收足够的光能，采用大夹角仍能满足分辨率要求。图２ａ与分辨率ｄｈ／ｄｓ的关系透镜的 设置设计了两种方案，如图３所示。图３（ａ）中ＹＡＧ激光与测量用Ｈｅ—Ｎｅ激光采用不同的 透镜聚焦，这种光路使测量光路与加工激光光路分离，测量装置有较好的可移植性，但同时使ＹＡ Ｇ激光的聚焦透镜焦距加长，不利于ＹＡＧ激光聚焦成更细的焦点。图３（ｂ）中ＹＡＧ激光与Ｈ ｅ—Ｎｅ激光采用同一透镜聚焦，但由于波长不同，将导致位置色差和垂轴色差的产生。下面对这 两个问题进行估算。１．加工激光透镜焦距对焦斑功率密度的影响假设采用焦距为６０ｍｍ的聚焦 透镜，对于多模输出的ＹＡＧ激光，可以用下式估计激光束经无像差透镜聚焦后的焦斑直径：ｄｏ —Ｆ·０，０为激光的远场发散角。对ＹＡＧ激光，０一７ｍｒａｄ，所以ｄ。一０．４２ｍｍ。 与采用２０ｍｍ焦距的透镜相比，焦斑直径为其３倍，因而焦斑功率密度相当于采用２０ｍｍ焦距 的焦斑功率密度的１／９。焦斑功率密度的降低对加工有重大影响，它使激光烧蚀时汽化不再占主 导地位，更多的能量传入材料基体，使材料的热影响区加大，不利于保持材料的表面完整性。实验 表明，当焦斑直径小于０．１２ｍｍ时，峰值功率４０ｋｗ，脉宽１５０ｕｓ的ＩｋＨ。声光调Ｑ 激光烧蚀氨化硅陶瓷时可获得高度完整的加工表面，而峰值功率ｓｋｗ，脉宽５００ｕｓ的１０ｋ Ｈｚ激光加工陶瓷时有微裂纹产生。由于焦斑扩大，即使仍采用ＩｋＨＺ的激光，其焦斑功率密度 将低于１０ｋＨＺ的激光。可见从保证加工表面的质量完整性来看，图３（ａ）中采用长焦距透镜 聚焦刍“加光的加工方案是不可取的。２．加工激光与测量激光采用同一透镜时的色差为消除传统 球面透镜聚焦时存在的球差，我们采用双曲面透镜聚焦ＹＡＧ激光，如图４所示。聚焦透镜为Ｋｇ 玻璃。对１．０６４ｍｍ的ＹＡＧ激光，ｎ—１．５０６２４；对０．６３２８ｍｍ的Ｈｅ一ＮＩ 激光，１１—１．５１４６６。被加工工件置于ＹＡＧ激光的焦点处，最大位置色差为（ｄｓ’） ｍａｘ一扣上ｎ—０．０６７３６ｍｍ，这里ｄ为双曲面透镜的中心厚度，凸ｎ为Ｋｇ玻璃对两种 激光的折射率之差。图４为求取垂轴色差，分别计算边际光和带光两条光线的光路，其垂轴球差分 别为（ｄＬ’）边一０．０１３ｍｍ；（ｄＬ’）带一０．ｏｌｓｍｍ。取二者中的较大值，即垂 轴色差为０．０１８ｍｍ。对于激光三角测量，一般要求聚焦光斑在被测表面的直径小于０．Ｚｍ ｍ即可，可见，因加工激光与测量激光采用同一透镜而产生的垂轴色差对测量激光聚焦焦斑的影响 可以忽略不计，采用图３（ｂ）的方案可行。结论１．照明光路与接收光路的光轴夹角越大，激光 三角测量的位置分辨率越低；２二在ＰＳＤ能接收足够光能的情况下，照明光路与接收光路的光轴 夹角取较大值仍能满足激光烧蚀的位置分辨率要求；３．对ｌ。０６卜ｍ的加工用ＹＡＧ激光，加 工激光与测量激光可采用同一透镜，由此引起的色差对测量激光聚焦焦斑大小的影响可忽略不计参 考文献｜｜［１］刘劲松等，光学精密工程，１９９５，３（３），３３［２］Ｍ．Ｗｉｅｄｍａ ｉｅｒ，ｅｔａｌ，ＳＰＩＥ，１９９３，１９９０，６８９［３］Ｚ．Ｊｉｅｔａｌ，Ｏｐｔｉ ｃｓ＆ＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９，２１（５），３３５激光烧蚀成形光路与激 光三角测量光路的集成@刘劲松，李孟秋，金湘中$湖南大学激光研究所激光烧蚀，光学三角，光 路针对激光烧蚀不能严格控制沿光轴方向尺寸精度的问题，本文研究将激光三角测量光路集成于激 光烧蚀光路，测量数据反馈控制脉冲激光，讨论了光路集成中的若干问题。［１］刘劲松等，光学 精密工程，１９９５，３（３），３３［２］Ｍ．Ｗｉｅｄｍａｉｅｒ，ｅｔａｌ，ＳＰＩＥ，１ ９９３，１９９０，６８９［３］Ｚ．Ｊｉｅｔａｌ，Ｏｐｔｉｃｓ＆ＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌ ｏｇｙ，１９８９，２１（５），３３５高等学校博士学科点基金激光与测量激光采用同一透镜时 的色差为消除传统球面透镜聚焦时存在的球差，我们采用双曲面透镜聚焦ＹＡＧ激光，如图４所示 。聚焦透镜为Ｋｇ玻璃。对１．０６４ｍｍ的ＹＡＧ激光，ｎ—１．５０６２４；对０．６３２８ ｍｍ的Ｈｅ一ＮＩ激光，１１—１．５１４６６。被加工工件置于ＹＡＧ激光的焦点处，最大位置 色差为（ｄｓ’）ｍａｘ一扣上ｎ—０．０６７３６ｍｍ，这里ｄ为双曲面透镜的中心厚度，凸ｎ 为Ｋｇ玻璃对两种激光的折射率之差。图４为求取垂轴色差，分别计算边际光和带光两条光线的光 路，其垂轴球差分别为（ｄＬ’）边一０．０１３ｍｍ；（ｄＬ’）带一０．ｏｌｓｍｍ。取二者 中的较大值，即垂轴色差为０．０１８ｍｍ。对于激光三角测量，一般要求聚焦光斑在被测表面的 直径小于０．Ｚｍｍ即可，可见，因加工激光与测量激光采用同一透镜而产生的垂轴色差对测量激 光聚焦焦斑的影响可以忽略不计，采用图３（ｂ）的方案可行。结论１．照明光路与接收光路的光 轴夹角越大，激光三角测量的位置分辨率越低；２二在ＰＳＤ能接收足够光能的情况下，照明光路 与接收光路的光轴夹角取较大值仍能满足激光烧蚀的位置分辨率要求；３．对ｌ。０６卜ｍ的加工 用ＹＡＧ激光，加工激光与测量激光可采用同一透镜，由此引起的色差对测量激光聚焦焦斑大小的 影响可忽略不计参考文献｜｜［１］刘劲松等，光学精密工程，１９９５，３（３），３３［２］ Ｍ．Ｗｉｅｄｍａｉｅｒ，ｅｔａｌ，ＳＰＩＥ，１９９３，１９９０，６８９［３］Ｚ．Ｊｉｅ ｔａｌ，Ｏｐｔｉｃｓ＆ＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９，２１（５），３３５激光 烧蚀成形光路与激光三角测量光路的集成@刘劲松，李孟秋，金湘中$湖南大学激光研究所激光烧 蚀，光学三角，光路针对激光烧蚀不能严格控制沿光轴方向尺寸精度的问题，本文研究将激光三角 测量光路集成于激光烧蚀光路，测量数据反馈控制脉冲激光，讨论了光路集成中的若干问题。［１］刘劲松等，光学精密工程，１９９５，３（３），３３［２］Ｍ．Ｗｉｅｄｍａｉｅｒ，ｅｔａｌ，ＳＰＩＥ，１９９３，１９９０，６８９［３］Ｚ．Ｊｉｅｔａｌ，Ｏｐｔｉｃｓ＆ＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９，２１（５），３３５高等学校博士学科点基金
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