一种盲孔深度的检测方法和装置的制作方法
专利名称：一种盲孔深度的检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光检测方法，特别地，涉及一种盲孔深度的检测方法。
背景技术：
材料制孔技术在工业制造领域有着广泛的应用。传统的机械钻孔方式可以方便地 实现孔径小至约100微米，孔深/孔径比小于10 1的材料钻孔。当要求孔深/孔径比大 于10 1时，通常采用电子束和激光打孔方式进行精确打孔。对于所加工孔，按照其是否穿透被打孔工件，可分为通孔和盲孔两类。通孔的深度 即为工件厚度，而盲孔的深度通常需要经过测量得到。在工件上进行孔的加工时，若采用机械方式钻孔，在未形成通孔之前，从机械钻头 的进给深度可以很容易得出加工所形成的盲孔深度；但采用激光打孔方式时，在未形成通 孔之前，由于激光打孔的可重复性较差，其脉冲烧蚀率随孔深的变化而改变，难以通过打孔 脉冲数或打孔时间精确判断加工所形成的盲孔深度，通常只能在激光打孔中断后对所加工 孔的深度进行测量。对于孔径较大的孔，可采用直径小于孔径的探针伸入孔内部来测量盲 孔深度；对于孔径较小的孔，例如孔径小于100微米的孔，通常只能沿孔直径方向切开工 件，对孔的剖面进行测量得到孔深。无论上述哪一种方法，都需要在激光打孔中断后对孔深 进行检测，降低了激光打孔的生产效率；且后一种测量方法会对加工工件产生不可恢复的 破坏。为了在激光打孔过程中精确、及时地获得打孔深度，需要在激光打孔过程中实时 测量打孔状态，从而提高打孔精度和减少废品率。本发明提出了一种盲孔深度的检测方法， 可在激光打孔过程中实时检测加工所形成的盲孔深度。
发明内容
为了在激光打孔过程中实时检测加工所形成的盲孔深度，本发明提供一种盲孔深 度的检测方法和装置。本发明所述一种盲孔深度的检测方法为脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔 光学系统聚焦于工件上实施打孔。脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经 过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍 照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机对冲击波照片进行分析处理， 参照控制计算机中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相 连的显示器上显示。同步延时模块延时触发冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击 波进行拍照，其触发延迟时间的选择要使得冲击波照相系统在拍照时，冲击波已经形成，且 尚未消散。冲击波照相系统可采用高速阴影照相法或马赫-曾德尔光学干涉仪照相法对激 光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照。冲击波照相系统中的辅助曝光光源可以采 用独立的辅助曝光激光器或从所述打孔脉冲激光器发出的脉冲激光中分光得到。
其实施步骤为第一步，针对待测量工件，建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度 关系的参考数据库，并将其存储于控制计算机中；第二步，脉冲激光器发出激光脉冲后，拍 摄打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波照片，照片数据经由图像采集模块输入控制 计算机，控制计算机采用专门的图像识别算法，识别出激光冲击波波前轮廓，得到以孔入口 为中心的激光冲击波波前扩张半径，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工 所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。在建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库时，不同深度孔所对 应的激光冲击波波前扩张半径应取多次实验的平均值。在第一步中为建立数据库所进行的 打孔与拍照操作时，打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时与在第二步中实际加工时 打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时相同。
本发明所述一种盲孔深度的检测装置包括脉冲激光器，打孔光学系统，同步延时 模块，冲击波照相系统，图像采集模块，控制计算机；脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打 孔光学系统聚焦于工件上实施打孔；脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经 过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统；冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产 生的冲击波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机；控制计算机对冲击波 照片进行分析处理，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工所形成的盲孔深 度。可采用高速阴影照相法或马赫-曾德尔光学干涉仪照相法构建冲击波照相系统。 冲击波照相系统中的辅助曝光光源可以采用独立的辅助曝光激光器或从所述脉冲激光器 发出的脉冲激光中分光得到。
图1是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中采用高速阴影照 相法所拍摄的激光冲击波照片。图2是与本发明相关的激光冲击波波前扩张半径与扩张时间的关系的示意图。图3是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中测量得到的不同 深度孔的剖面照片及其所对应的激光冲击波照片。图4是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中所采用的检测装 置示意图。图5是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的另一个实施例中所采用的检测 装置示意图。图6是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的又一个实施例中所采用的检测 装置示意图。图7是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中采用马赫-曾德尔 光学干涉仪照相法所拍摄的激光冲击波照片。图8是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中测量得到的激光 冲击波波前扩张半径和其所对应的孔深的数据图。图9是与本发明相关的不同能量激光脉冲产生冲击波波前压力减弱到与环境气 体压力相等所需时间的曲线图。
具体实施例方式为进一步阐明本发明为达成预定发明目的所采用的方法和装置，以下结合附图及 较佳实施例，对本发明提出的盲孔深度的检测方法和装置及其具体实施方法、步骤及特征 进行详细说明。高强度激光脉冲照射在材料表面上，当功率密度大于约2X 108W/cm2时，使材料表 面层发生爆炸性气化，从而产生激光支持的爆轰波(LSDW)现象。高温高压的材料气等离子 体以及空气等离子体从激光作用区向外快速膨胀，形成激光冲击波101，如图1所示，半球 形激光冲击波波前102以激光作用点为中心向外界大气扩张。冲击波波前位置的高温、高 压、高密度，造成了空气状态分布的不连续，使得冲击波波前将外界大气与冲击波内部分隔 开来。激光产生的冲击波可以用Sedov-Taylor的点爆 炸波理论来描述，该理论可以描
述强烈点爆炸后冲击波波前的传播。对于空气环境中的爆炸波，由于环境气体压力P1大大
小于冲击波波前处的压力P2 (P1 << P2),因此可以忽略环境气体压力P1的影响。这样，可
以用环境气体密度P1，爆炸波能量Etl来描述冲击波的扩张。冲击波波前扩张半径r作为
时间t的函数可以被表示为
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，t为以激光脉冲开始作用为时间起点的延迟时间；λ为与爆炸过程有关的 积分常数，对于空气，其数值接近为1 ；Etl代表冲击波包含的能量，其小于激光脉冲能量；P ！ 为环境气体密度(P = 1. 2929kg/m3) ；ν为冲击波传播的维数(冲击波按球形扩张时取 值3，按圆柱形通道扩张时取值2，按平面扩张时取值1)。分子中的系数2表示此处冲击波 按半球形扩张，因此完整的等价球形波应包含2倍于半球形冲击波的能量。在与本发明相关的一个实验中，测量了激光脉冲作用于钢质工件表面时，冲击波 经过不同扩张时间后，其波前的扩张半径，如图2所示。图2所示数据关系与点爆炸波理论 相符合，用(1)式对图2所示数据进行拟合，得到Etl= (380士9) μ J。实验使用激光参数为 激光脉宽5ps，激光波长800nm，激光脉冲能量650 μ J0使用脉冲激光打孔时，在起始阶段，激光直接作用于工件表面，冲击波以激光作用 点为中心向外界大气按球形扩张；随着激光烧蚀孔的形成，激光转为直接作用于烧蚀孔的 底部，此时，冲击波首先按圆柱形通道在孔内扩张，到达工件表面后，转为以孔口为中心按 球形扩张。孔越深，激光冲击波从孔内到达工件表面所需时间越长；激光冲击波从孔内到达 工件表面后，以孔口为中心按球形扩张，根据(1)式，此时冲击波波前扩张半径r可以被表 示为
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，ν取值为3 为激光冲击波从孔内到达工件表面所需时间，根据(1)式，取 ν值为2，得到<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，D为孔的深度。由⑵(3)式可见，激光打孔过程中，在激光脉冲作用后的某一时刻，以孔口为中 心的冲击波波前扩张半径依赖于孔的深度。在与本发明相关的另一个实验中，使用脉冲激光在Al2O3陶瓷工件上打孔，拍摄作 用于不同深度孔的激光脉冲所产生的冲击波在激光脉冲开始作用500ns后的扩张情况，如 图3所示。图3中，上方四张照片为冲击波照片，下方四张为与之相对应的不同深度孔的剖 面照片。图中清晰可见，随着孔深度的增加，在激光脉冲开始作用500ns后，冲击波波前的 扩张半径逐步减小；当孔贯通工件后，观察不到冲击波图像，如图3右上方图所示。本实验 使用参数为激光脉宽5ps，激光波长800nm，激光脉冲能量650 μ J，工件厚度400 μ m,相机 曝光时间3ns。上述实验进一步直观说明，在激光打孔过程中，激光脉冲作用后的某一时刻，以孔 口为中心的冲击波波前扩张半径依赖于所打孔的深度。由此，可以通过实验建立使用不同 激光打孔参数对不同材料进行打孔的冲击波波前扩张半径和孔深的对应关系；然后，在打 孔过程中实时测量激光脉冲产生冲击波波前的扩张半径，就可以得到所对应的孔深度信 肩、ο为了实现激光打孔过程中盲孔深度的检测，在本发明的一些实施例中使用以下方 法和装置。如图4所示，脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由打孔光学系统403聚 焦于工件404上实施打孔。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经 过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统406，对激光脉冲与工件404相互作用产生的冲击 波407进行拍照，触发延迟时间的选择要使得冲击波照相系统406在拍照时，冲击波407已 经形成，且尚未消散。冲击波照相系统406所拍摄的照片数据经由图像采集模块408输入 控制计算机409，控制计算机409对冲击波照片进行分析处理，并与预先存储于控制计算机 409中的加工数据进行对比，参照控制计算机中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲 孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。图4中4011为冲击波照相系统406中使 用的辅助曝光光束或测量光。激光冲击波及其内部等离子体区域的形貌及物理性质可以使用多种物理方法和 装置进行测量，如高速照相法、阴影法、纹影法、干涉法、全息干涉法、条纹照相机法等。这些 方法获取信息量大，灵敏度高，并且由于这些方法均为非接触测量，对激光产生的冲击波影 响小，所以对测量冲击波及其内部等离子体的膨胀过程和相关参数起着重要作用。其中，阴 影法和纹影法均是利用光波通过等离子体后波形的变化来研究等离子体的性质，即等离子 体对入射光波的相位产生影响。全息法能同时反映透射光波振幅和相位的变化，且能克服 测量精度对测试系统元件质量的高要求的缺点。激光干涉法主要是通过测量等离子体折射 率变化和等离子体吸收情况来反映等离子体的性质。在本发明的一个实施例中，采用高速阴影照相法构建冲击波照相系统406，其装置 如图5中虚线框所示，包括辅助脉冲激光器501，准直透镜组502，光学衰减片503，成像透 镜504，带通滤光片505，光阑506和高速CCD照相机507。
辅助脉冲激光器501的出射光经过准直透镜组502，光学衰减片503，冲击波407 区域，与高速CCD照相机507处于同一光轴上，辅助脉冲激光器501作用为闪光灯光源，在 高速CXD照相机507曝光时发出辅助曝光光束5011。冲击波407区域由成像透镜504成 像，经过带通滤光片505，光阑506后，被高速CXD照相机507记录。带通滤光片505滤除背 景光、散射的打孔激光和由激光作用产生的等离子体发光等杂散光，光阑506处于成像透 镜504的焦平面，冲击波407区域位置与高速CXD照相机507位置相对于成像透镜成物像 共轭关系，以克服衍射效应带来的误差。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507进行拍照，触发延迟时间的选择要使得高速CCD照相机507在 拍照时，冲击波407已经形成，且尚未消散；同步延时模块405在经过一定时间延迟后，产生 另一路触发信号Cl，触发辅助脉冲激光器501发出辅助曝光光束5011，辅助曝光光束5011 的产生时间处于高速CCD照相机507的曝光时间之内。使用本实施例所述装置拍摄的激光冲击波图像如图1所示，激光冲击波波前102 的扩张位置清晰可见。在本发明的另外一些实施例中，使用图5中虚线框所示冲击波照相系统406，但辅 助曝光光束5011由平面分光镜从打孔脉冲激光光束402中分光得到。
在本发明的另一实施例中，采用马赫_曾德尔光学干涉仪照相法构建冲击波照相 系统406，其装置如图6中虚线框所示。这一方法对探测光源相干性要求较低，且便于调节。 马赫_曾德尔干涉仪由两块平面分光镜604，606和两块平面反射镜605，607组成，以上四 元件的反射面通常安排成近乎平行，它们的中心分别位于一个平行四边形的四个角上。被 测量透明物体位于元件604，607和606组成的光路中，此时元件604，607和606称为测量 臂，经过测量臂传输的光称为测量光6011 ；另由元件604，605，606组成的光路称为参考臂， 经过参考臂传输的光称为参考光6010。若没有测量物体，参考光6010和测量光6011由于 分光镜606引起一个由角度造成的光程差而产生的干涉条纹，叫做参考条纹，参考条纹为 等间距明暗相间的平行条纹。当被测量透明物体存在于测量光路时，测量光6011与参考光 6010之间光程差发生改变，使得所产生干涉条纹的图像发生改变，其改变量与被测物体的 物理特性相关。干涉测量光束608由平面分光镜601从打孔脉冲激光光束402中分光得到；干涉 测量光束608经由平面反射镜602反射，进入光学延时模块603，光学延时模块603使干涉 测量光束608中的脉冲相比与之对应的打孔激光脉冲延迟一定时间，经过光学延时后的测 量光束进入由元件604，605，606和607组成的马赫-曾德尔光学干涉仪，待测量的冲击波 407区域位于测量臂中元件604，607之间的光路上，经过冲击波407区域的测量光6011与 参考光6010在平面分光镜606的反射面产生携带有冲击波信息的干涉图案，干涉图案经由 成像透镜504成像，并经过带通滤光片505，光阑506后，被高速CXD照相机507记录。带通 滤光片505滤除背景光、散射的打孔激光和由激光作用产生的等离子体发光等杂散光，光 阑506处于透镜504的焦平面。干涉图案位置与高速CXD照相机507位置相对于成像透镜 成物像共轭关系。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507对干涉图案进行拍照，触发延迟时间的选择要使得高速CCD照相机507在拍照时，冲击波407已经形成，且尚未消散。光学延时模块603所产生的光学延 时要使得干涉测量光束608中的干涉测量脉冲进入马赫-曾德尔光学干涉仪时，冲击波407 已经形成，并尚未消散，且干涉测量脉冲的作用时间处于高速CCD照相机507的曝光时间之 内。 使用本实施例所述装置拍摄的激光冲击波图像如图7所示，由图7可见，测量光经 过冲击波407区域后，干涉条纹发生扭曲，并能清晰观察到激光冲击波波前102的扩张位 置。图7拍摄的实验参数条件为激光波长1064nm，激光脉宽15ns，脉冲能量5mJ，触发照 相时间50ns，被打孔材料为环氧树脂。在本发明的另外一些实施例中，使用图6中虚线框所示冲击波照相系统406，但阻 断图6中马赫-曾德尔光学干涉仪中由元件604，605，606组成的参考臂光路，例如在元件 604,605间的光路上放置遮光片，即可作为阴影照相装置使用。在本发明的另外一些实施例中，使用图6中虚线框所示冲击波照相系统406，但使 用另一台独立的脉冲激光器产生干涉测量光束408。在本发明的一个实施例中，使用图5所示装置检测在钢质工件激光打孔过程中的 盲孔深度。脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由准直透镜组508准直后入射偏振片 509，调节偏振片509的旋转角度可以调节激光束402能量的衰减量，能量衰减后的激光束 402由聚焦透镜5010聚焦于工件上实施打孔。辅助脉冲激光器501，准直透镜组502，光学衰减片503，成像透镜504，带通滤光片 505，光阑506和高速CCD照相机507组成采用高速阴影照相法构建的冲击波照相系统406。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507对激光脉冲与工件404相互作用产生的冲击波407进行拍照， 此外，同步延时模块405经过一定时间延迟后，产生另一个触发信号Cl，触发辅助脉冲激光 器501发出辅助曝光光束5011，由高速CCD照相机507拍摄的照片数据经由图像采集模块 408输入控制计算机409，控制计算机409采用专门的图像识别算法，例如图像轮廓提取算 法，识别出激光冲击波波前轮廓，得到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张半径，参照控 制计算机中409存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连 的显示器上显示。在本发明的一些实施例中，辅助曝光激光器501采用中心波长为633nm的染料激 光器，脉宽约500ps，带通滤光片505的中心波长为633nm。打孔脉冲激光器401采用中心 波长为1064nm或532nm的Nd: YAG激光器，或中心波长为1047nm的Nd: YLF激光器，或中心 波长为10. 6 μ m的CO2激光器等常用工业激光器，优选地，所选用的激光波长应满足被打孔 材料对该波长有较高的吸收率的条件。在本发明另一个实施例中，使用图6所示装置检测激光打孔过程中的盲孔深度。 脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由准直透镜组508准直，分光镜601从激光束402 中分出与激光束402垂直的干涉测量激光束608，透过分光镜601的激光束402入射偏振片 509，调节偏振片509的旋转角度可以调节激光束402能量的衰减量，能量衰减后的激光束 402由聚焦透镜5010聚焦于工件上实施打孔。平面反射镜602，605，607，平面分光镜604，606，光学延时模块603，成像透镜504， 带通滤光片505，光阑506和高速CXD照相机507组成采用马赫-曾德尔光学干涉仪照相法构建的冲击波照相系统406。光学延时模块603使干涉测量激光束608中的脉冲相比与之 对应的打孔激光脉冲延迟一定时间。待测量的冲击波407区域位于测量臂中元件604，607之间的光路上，经过冲击波 407区域的测量光6011与参考光6010在平面分光镜606的反射面产生携带有激光冲击波 信息的干涉图案。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507对位于平面分光镜606的反射面的干涉图案进行拍照。由高 速CCD照相机507拍摄的照片数据经由图像采集模块408输入控制计算机409，控制计算 机409采用专门的图像识别算法，例如图像轮廓提取算法，识别出激光冲击波波前轮廓，得 到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张半径，参照控制计算机中409存储的加工参考数 据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。在本发明的一个实施例中，盲孔深度的检测步骤为第一步，针对待检测工件，建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数 据库，并将其存储于控制计算机中。使用不同的激光脉冲数或不同的激光作用时间，在待加工工件上的不同位置打 孔，得到一系列不同深度的盲孔，为了方便后期对孔深度进行显微测量，优选地，孔的中心 位于同一条直线上。对于使用不同的激光脉冲数或不同的激光作用时间在工件上所加工的孔，使用冲 击波照相系统拍摄由最后一个作用于该孔的激光脉冲产生的冲击波图像，得到一系列不同 深度孔所对应的冲击波图像。沿孔直径方向切开工件，使用光学显微设备对孔的剖面进行观测得到孔深。可使 用光学显微镜观察孔的剖面并测量孔深，或使用带CCD的显微镜或电镜拍摄孔的剖面照 片，进而测量孔的深度。冲击波图像经由图像采集模块输入控制计算机后，控制计算机采用专门的图像识 别算法，识别出冲击波波前轮廓，得到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张半径。将使用不同的激光脉冲数或不同的激光作用时间在工件上所加工的孔的深度数 据与其所对应的激光冲击波波前扩张半径数据关联起来，建立激光冲击波波前扩张半径与 孔深度关系的参考数据库，并将其存储于控制计算机中。按上述方法得到的不同深度孔的剖面显微照面，及其所对应的冲击波照片举例示 于图3之中。按上述方法测量得到的孔的深度，及不同深度孔所对应的激光冲击波波前扩 张半径示于图8之中。从图8可以看出，随着孔深的增加，激光冲击波波前扩张半径单调减 小，当孔深达到400 μ m,即形成通孔后，激光冲击波波前扩张半径减小为零。得到图8所示 数据的打孔参数条件为激光脉宽5ps，激光波长800nm，激光脉冲能量650 μ J，相机曝光时 间3ns,工件为厚度为400 μ m的Al2O3陶瓷。实验获取的参考数据越多，越利于提高盲孔深度检测的精确度，但工作量和加工成本也会随之增加。为了提高精度，优选地，不同深度孔所对应的激光冲击波波前扩张半径 应取多次实验的平均值。本发明所术盲孔深度检测方法的检测精度与检测装置各组成部分的精度相关，通常情况下，本检测方法的检测精度可达微米量级，在选用更高精度的检测设备时，例如，延时时间更加精确的延时控制器、快门时间更短的CCD高速照相机等，则可以获得更高的检 测精度。第二步，在脉冲激光打孔过程中，实时拍摄打孔激光脉冲与工件相互作用产生的 冲击波照片，控制计算机按第一步所述方法得到加工孔的实时深度，并在与控制计算机相 连的显示器上显示。 其中，在第一步中为建立数据库所进行的打孔与拍照操作时，打孔脉冲激光发射 与冲击波照相之间的延时与在第二步中实际加工时打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间 的延时相同。打孔过程中，如果控制计算机获取激光冲击波波前扩张半径所需要的时间小于打 孔激光器脉冲间隔时间，可检测每一激光打孔脉冲所产生激光冲击波波前的扩张半径，从 而得到每一脉冲作用后的加工孔深度。通常，根据检测精度的要求，可以间隔一定数量的 激光脉冲测量一次激光冲击波波前扩张半径，所间隔的激光脉冲数可由前期实验经验地得 至IJ。控制计算机可以控制在打孔过程中何时测量激光冲击波波前扩张半径以及测量的间隔 时间。激光冲击波以近声速向外界大气扩张，因此，CCD照相机曝光时间越短，越能获得 清晰的激光冲击波图像。但CCD照相机曝光时间越短对CCD照相机的性能要求越高，同时 对辅助曝光光源的强度要求越高。通常CCD照相机的曝光时间范围为小于100ns，优选的曝 光时间范围为100pS-50nS，更优选的范围为500pS-20nS，兼顾成本和精度要求，最优选的 范围为Ins-IOns0为避免用于冲击波照相的打孔脉冲与前续打孔脉冲所产生的等离子体发生相互 作用，即为避免前续打孔脉冲所产生的等离子体影响冲击波照相，应在前续打孔脉冲所产 生的等离子体完全消散后再进行冲击波照相。通常认为，在激光脉冲与材料作用后的几 百微秒内，材料等离子体可以完全消散。因此，用于冲击波照相的打孔脉冲与前一打孔脉 冲的间隔时间应大于此等离子体消散时间，优选的范围为500ys-10s，更优选的范围是 lms-ls，为了兼顾检测效果和检测效率，最优选的范围是lms-lOms。实施本发明所述一种非贯通孔的激光加工方法，要求打孔激光脉冲强度高于材料 产生激光支持的爆轰波(LSDW)现象的能量阈值，不同材料产生激光支持的爆轰波(LSDW) 现象的能量阈值不同，例如铝为1. 2士0. 2X108W/cm2，铜为1. 5士0. 3X 108W/cm2，环氧树月旨 为1. 4士0. 3X 108W/cm2，通常，使用功率密度大于约2X 108W/cm2的激光脉冲。另外，激光脉冲功率密度还由激光脉宽所决定，对于同能量的激光脉冲，脉宽越 短，强度越高。因此，使用较短脉宽的激光脉冲有利于激光冲击波的形成。同时，脉宽越短， 激光热影响区越小，能获得更高打孔加工精度。实施本发明所述盲孔的激光加工方法使用 的打孔脉冲宽度范围为lfs-500ns，优选范围为lOOfs-lOOns，更优选范围为Ips-lOns，兼 顾成本和测量精度，最优选范围为lOps-lns。本发明所述盲孔深度的检测方法中，为了有效获得激光冲击波图像，要求冲击波 照相系统进行拍照时，冲击波已经形成，并还未消散，且能分辨出清晰可见的冲击波波前， 即要求高速CCD照相机的拍照时刻必须处于冲击波的存在时间之内。从以前的研究工作中得到，使用500fs、脉冲能量500 μ J的激光脉冲烧蚀铝质工 件，在激光作用2. 2ns后就可以观察到清晰的冲击波轮廓；使用25ns、脉冲能量40mJ的激光脉冲烧蚀铜试件，在激光开始作用3ns后也能开始观察到冲击波轮廓。由此可以认为，对 于飞秒至纳秒激光脉冲，在现有拍照方法能够分辨的情况下，冲击波将在激光开始作用后 几纳秒时间内形成。此后，激光等离子体冲击波随时间不断膨胀扩张，当冲击波波前压力减 小到近似环境气压时，冲击波的扩张趋于停止，冲击波波前逐步消散。图9为模拟 得到的不 同能量激光脉冲产生的冲击波波前压力减弱到与环境气体压力相等时所需的时间。从图中 可以看出，对于ImJ至IOOmJ的脉冲能量范围，冲击波波前压力将在几微秒内减小到环境气 压值，其膨胀扩张趋于停止，此后难以检测到清晰的冲击波波前。因此，对于飞秒至纳秒脉 宽脉冲，同步延时模块延时触发冲击波照相系统进行拍照的触发延迟时间应在激光脉冲作 用后IOOps-IOO μ s范围内，优选范围为500ps-10 μ s,更优选范围为Ins-I μ s，最优选范围 为 lns_200nso
权利要求
一种盲孔深度的检测方法，脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔光学系统聚焦于工件上实施打孔，脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机对冲击波照片进行分析处理，参照控制计算机中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度。
2.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，其实施步骤为第一步， 针对待检测工件，建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库，并将其存储 于控制计算机中；第二步，脉冲激光器发出激光脉冲后，拍摄打孔激光脉冲与工件相互作用 产生的冲击波照片，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机采用专门的 图像识别算法，识别出激光冲击波波前轮廓，得到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张 半径，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制 计算机相连的显示器上显示。
3.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，冲击波照相系统可采用 高速阴影照相法或马赫_曾德尔光学干涉仪照相法对激光脉冲与工件相互作用产生的冲 击波进行拍照。
4.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，同步延时模块延时触发 冲击波照相系统对打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照，其触发延迟时间 的选择要使得冲击波照相系统在拍照时，冲击波已经形成，且尚未消散。
5.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，冲击波照相系统中的辅 助曝光光源可以采用独立的辅助曝光激光器或从所述打孔脉冲激光器发出的脉冲激光中 分光得到。
6.如权利要求2所述一种盲孔深度的检测方法的实施步骤，其特征在于，建立激光冲 击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库时，不同深度孔所对应的激光冲击波波前扩 张半径应取多次实验的平均值。
7.如权利要求2所述一种盲孔深度的检测方法的实施步骤，其特征在于，在第一步中 为建立数据库所进行的打孔与拍照操作时，打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时与 在第二步中实际加工时打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时相同。
8.一种盲孔深度的检测装置，其包括脉冲激光器，打孔光学系统，同步延时模块，冲 击波照相系统，图像采集模块，控制计算机；脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔光学系 统聚焦于工件上实施打孔；脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经过一定时 间延迟后，触发冲击波照相系统；冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击 波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机；控制计算机对冲击波照片进行 分析处理，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工所形成的盲孔深度。
9 如权利要求8所述一种盲孔深度的检测装置，其特征在于，采用高速阴影照相法或 马赫_曾德尔光学干涉仪照相法构建冲击波照相系统。
10.如权利要求8所述一种盲孔深度的检测装置，其特征在于，冲击波照相系统中的辅 助曝光光源可以采用独立的辅助曝光激光器或从所述打孔脉冲激光器发出的脉冲激光中 分光得到。
全文摘要
本发明介绍了一种盲孔深度的检测方法和装置。脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由打孔光学系统403聚焦于工件404上实施打孔。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统406，对激光脉冲与工件404相互作用产生的冲击波407进行拍照，照片数据经由图像采集模块408输入控制计算机409，控制计算机409对冲击波照片进行分析处理，参照控制计算机409中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。
文档编号G01B11/22GK101819027SQ200910300599
公开日2010年9月1日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者王晓东 申请人:王晓东
技术领域：
本发明涉及一种激光检测方法，特别地，涉及一种盲孔深度的检测方法。
背景技术：
材料制孔技术在工业制造领域有着广泛的应用。传统的机械钻孔方式可以方便地 实现孔径小至约100微米，孔深/孔径比小于10 1的材料钻孔。当要求孔深/孔径比大 于10 1时，通常采用电子束和激光打孔方式进行精确打孔。对于所加工孔，按照其是否穿透被打孔工件，可分为通孔和盲孔两类。通孔的深度 即为工件厚度，而盲孔的深度通常需要经过测量得到。在工件上进行孔的加工时，若采用机械方式钻孔，在未形成通孔之前，从机械钻头 的进给深度可以很容易得出加工所形成的盲孔深度；但采用激光打孔方式时，在未形成通 孔之前，由于激光打孔的可重复性较差，其脉冲烧蚀率随孔深的变化而改变，难以通过打孔 脉冲数或打孔时间精确判断加工所形成的盲孔深度，通常只能在激光打孔中断后对所加工 孔的深度进行测量。对于孔径较大的孔，可采用直径小于孔径的探针伸入孔内部来测量盲 孔深度；对于孔径较小的孔，例如孔径小于100微米的孔，通常只能沿孔直径方向切开工 件，对孔的剖面进行测量得到孔深。无论上述哪一种方法，都需要在激光打孔中断后对孔深 进行检测，降低了激光打孔的生产效率；且后一种测量方法会对加工工件产生不可恢复的 破坏。为了在激光打孔过程中精确、及时地获得打孔深度，需要在激光打孔过程中实时 测量打孔状态，从而提高打孔精度和减少废品率。本发明提出了一种盲孔深度的检测方法， 可在激光打孔过程中实时检测加工所形成的盲孔深度。
发明内容
为了在激光打孔过程中实时检测加工所形成的盲孔深度，本发明提供一种盲孔深 度的检测方法和装置。本发明所述一种盲孔深度的检测方法为脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔 光学系统聚焦于工件上实施打孔。脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经 过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍 照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机对冲击波照片进行分析处理， 参照控制计算机中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相 连的显示器上显示。同步延时模块延时触发冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击 波进行拍照，其触发延迟时间的选择要使得冲击波照相系统在拍照时，冲击波已经形成，且 尚未消散。冲击波照相系统可采用高速阴影照相法或马赫-曾德尔光学干涉仪照相法对激 光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照。冲击波照相系统中的辅助曝光光源可以采 用独立的辅助曝光激光器或从所述打孔脉冲激光器发出的脉冲激光中分光得到。
其实施步骤为第一步，针对待测量工件，建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度 关系的参考数据库，并将其存储于控制计算机中；第二步，脉冲激光器发出激光脉冲后，拍 摄打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波照片，照片数据经由图像采集模块输入控制 计算机，控制计算机采用专门的图像识别算法，识别出激光冲击波波前轮廓，得到以孔入口 为中心的激光冲击波波前扩张半径，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工 所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。在建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库时，不同深度孔所对 应的激光冲击波波前扩张半径应取多次实验的平均值。在第一步中为建立数据库所进行的 打孔与拍照操作时，打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时与在第二步中实际加工时 打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时相同。
本发明所述一种盲孔深度的检测装置包括脉冲激光器，打孔光学系统，同步延时 模块，冲击波照相系统，图像采集模块，控制计算机；脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打 孔光学系统聚焦于工件上实施打孔；脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经 过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统；冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产 生的冲击波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机；控制计算机对冲击波 照片进行分析处理，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工所形成的盲孔深 度。可采用高速阴影照相法或马赫-曾德尔光学干涉仪照相法构建冲击波照相系统。 冲击波照相系统中的辅助曝光光源可以采用独立的辅助曝光激光器或从所述脉冲激光器 发出的脉冲激光中分光得到。
图1是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中采用高速阴影照 相法所拍摄的激光冲击波照片。图2是与本发明相关的激光冲击波波前扩张半径与扩张时间的关系的示意图。图3是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中测量得到的不同 深度孔的剖面照片及其所对应的激光冲击波照片。图4是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中所采用的检测装 置示意图。图5是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的另一个实施例中所采用的检测 装置示意图。图6是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的又一个实施例中所采用的检测 装置示意图。图7是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中采用马赫-曾德尔 光学干涉仪照相法所拍摄的激光冲击波照片。图8是本发明一种盲孔深度的检测方法和装置的一个实施例中测量得到的激光 冲击波波前扩张半径和其所对应的孔深的数据图。图9是与本发明相关的不同能量激光脉冲产生冲击波波前压力减弱到与环境气 体压力相等所需时间的曲线图。
具体实施例方式为进一步阐明本发明为达成预定发明目的所采用的方法和装置，以下结合附图及 较佳实施例，对本发明提出的盲孔深度的检测方法和装置及其具体实施方法、步骤及特征 进行详细说明。高强度激光脉冲照射在材料表面上，当功率密度大于约2X 108W/cm2时，使材料表 面层发生爆炸性气化，从而产生激光支持的爆轰波(LSDW)现象。高温高压的材料气等离子 体以及空气等离子体从激光作用区向外快速膨胀，形成激光冲击波101，如图1所示，半球 形激光冲击波波前102以激光作用点为中心向外界大气扩张。冲击波波前位置的高温、高 压、高密度，造成了空气状态分布的不连续，使得冲击波波前将外界大气与冲击波内部分隔 开来。激光产生的冲击波可以用Sedov-Taylor的点爆 炸波理论来描述，该理论可以描
述强烈点爆炸后冲击波波前的传播。对于空气环境中的爆炸波，由于环境气体压力P1大大
小于冲击波波前处的压力P2 (P1 << P2),因此可以忽略环境气体压力P1的影响。这样，可
以用环境气体密度P1，爆炸波能量Etl来描述冲击波的扩张。冲击波波前扩张半径r作为
时间t的函数可以被表示为
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，t为以激光脉冲开始作用为时间起点的延迟时间；λ为与爆炸过程有关的 积分常数，对于空气，其数值接近为1 ；Etl代表冲击波包含的能量，其小于激光脉冲能量；P ！ 为环境气体密度(P = 1. 2929kg/m3) ；ν为冲击波传播的维数(冲击波按球形扩张时取 值3，按圆柱形通道扩张时取值2，按平面扩张时取值1)。分子中的系数2表示此处冲击波 按半球形扩张，因此完整的等价球形波应包含2倍于半球形冲击波的能量。在与本发明相关的一个实验中，测量了激光脉冲作用于钢质工件表面时，冲击波 经过不同扩张时间后，其波前的扩张半径，如图2所示。图2所示数据关系与点爆炸波理论 相符合，用(1)式对图2所示数据进行拟合，得到Etl= (380士9) μ J。实验使用激光参数为 激光脉宽5ps，激光波长800nm，激光脉冲能量650 μ J0使用脉冲激光打孔时，在起始阶段，激光直接作用于工件表面，冲击波以激光作用 点为中心向外界大气按球形扩张；随着激光烧蚀孔的形成，激光转为直接作用于烧蚀孔的 底部，此时，冲击波首先按圆柱形通道在孔内扩张，到达工件表面后，转为以孔口为中心按 球形扩张。孔越深，激光冲击波从孔内到达工件表面所需时间越长；激光冲击波从孔内到达 工件表面后，以孔口为中心按球形扩张，根据(1)式，此时冲击波波前扩张半径r可以被表 示为
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，ν取值为3 为激光冲击波从孔内到达工件表面所需时间，根据(1)式，取 ν值为2，得到<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，D为孔的深度。由⑵(3)式可见，激光打孔过程中，在激光脉冲作用后的某一时刻，以孔口为中 心的冲击波波前扩张半径依赖于孔的深度。在与本发明相关的另一个实验中，使用脉冲激光在Al2O3陶瓷工件上打孔，拍摄作 用于不同深度孔的激光脉冲所产生的冲击波在激光脉冲开始作用500ns后的扩张情况，如 图3所示。图3中，上方四张照片为冲击波照片，下方四张为与之相对应的不同深度孔的剖 面照片。图中清晰可见，随着孔深度的增加，在激光脉冲开始作用500ns后，冲击波波前的 扩张半径逐步减小；当孔贯通工件后，观察不到冲击波图像，如图3右上方图所示。本实验 使用参数为激光脉宽5ps，激光波长800nm，激光脉冲能量650 μ J，工件厚度400 μ m,相机 曝光时间3ns。上述实验进一步直观说明，在激光打孔过程中，激光脉冲作用后的某一时刻，以孔 口为中心的冲击波波前扩张半径依赖于所打孔的深度。由此，可以通过实验建立使用不同 激光打孔参数对不同材料进行打孔的冲击波波前扩张半径和孔深的对应关系；然后，在打 孔过程中实时测量激光脉冲产生冲击波波前的扩张半径，就可以得到所对应的孔深度信 肩、ο为了实现激光打孔过程中盲孔深度的检测，在本发明的一些实施例中使用以下方 法和装置。如图4所示，脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由打孔光学系统403聚 焦于工件404上实施打孔。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经 过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统406，对激光脉冲与工件404相互作用产生的冲击 波407进行拍照，触发延迟时间的选择要使得冲击波照相系统406在拍照时，冲击波407已 经形成，且尚未消散。冲击波照相系统406所拍摄的照片数据经由图像采集模块408输入 控制计算机409，控制计算机409对冲击波照片进行分析处理，并与预先存储于控制计算机 409中的加工数据进行对比，参照控制计算机中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲 孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。图4中4011为冲击波照相系统406中使 用的辅助曝光光束或测量光。激光冲击波及其内部等离子体区域的形貌及物理性质可以使用多种物理方法和 装置进行测量，如高速照相法、阴影法、纹影法、干涉法、全息干涉法、条纹照相机法等。这些 方法获取信息量大，灵敏度高，并且由于这些方法均为非接触测量，对激光产生的冲击波影 响小，所以对测量冲击波及其内部等离子体的膨胀过程和相关参数起着重要作用。其中，阴 影法和纹影法均是利用光波通过等离子体后波形的变化来研究等离子体的性质，即等离子 体对入射光波的相位产生影响。全息法能同时反映透射光波振幅和相位的变化，且能克服 测量精度对测试系统元件质量的高要求的缺点。激光干涉法主要是通过测量等离子体折射 率变化和等离子体吸收情况来反映等离子体的性质。在本发明的一个实施例中，采用高速阴影照相法构建冲击波照相系统406，其装置 如图5中虚线框所示，包括辅助脉冲激光器501，准直透镜组502，光学衰减片503，成像透 镜504，带通滤光片505，光阑506和高速CCD照相机507。
辅助脉冲激光器501的出射光经过准直透镜组502，光学衰减片503，冲击波407 区域，与高速CCD照相机507处于同一光轴上，辅助脉冲激光器501作用为闪光灯光源，在 高速CXD照相机507曝光时发出辅助曝光光束5011。冲击波407区域由成像透镜504成 像，经过带通滤光片505，光阑506后，被高速CXD照相机507记录。带通滤光片505滤除背 景光、散射的打孔激光和由激光作用产生的等离子体发光等杂散光，光阑506处于成像透 镜504的焦平面，冲击波407区域位置与高速CXD照相机507位置相对于成像透镜成物像 共轭关系，以克服衍射效应带来的误差。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507进行拍照，触发延迟时间的选择要使得高速CCD照相机507在 拍照时，冲击波407已经形成，且尚未消散；同步延时模块405在经过一定时间延迟后，产生 另一路触发信号Cl，触发辅助脉冲激光器501发出辅助曝光光束5011，辅助曝光光束5011 的产生时间处于高速CCD照相机507的曝光时间之内。使用本实施例所述装置拍摄的激光冲击波图像如图1所示，激光冲击波波前102 的扩张位置清晰可见。在本发明的另外一些实施例中，使用图5中虚线框所示冲击波照相系统406，但辅 助曝光光束5011由平面分光镜从打孔脉冲激光光束402中分光得到。
在本发明的另一实施例中，采用马赫_曾德尔光学干涉仪照相法构建冲击波照相 系统406，其装置如图6中虚线框所示。这一方法对探测光源相干性要求较低，且便于调节。 马赫_曾德尔干涉仪由两块平面分光镜604，606和两块平面反射镜605，607组成，以上四 元件的反射面通常安排成近乎平行，它们的中心分别位于一个平行四边形的四个角上。被 测量透明物体位于元件604，607和606组成的光路中，此时元件604，607和606称为测量 臂，经过测量臂传输的光称为测量光6011 ；另由元件604，605，606组成的光路称为参考臂， 经过参考臂传输的光称为参考光6010。若没有测量物体，参考光6010和测量光6011由于 分光镜606引起一个由角度造成的光程差而产生的干涉条纹，叫做参考条纹，参考条纹为 等间距明暗相间的平行条纹。当被测量透明物体存在于测量光路时，测量光6011与参考光 6010之间光程差发生改变，使得所产生干涉条纹的图像发生改变，其改变量与被测物体的 物理特性相关。干涉测量光束608由平面分光镜601从打孔脉冲激光光束402中分光得到；干涉 测量光束608经由平面反射镜602反射，进入光学延时模块603，光学延时模块603使干涉 测量光束608中的脉冲相比与之对应的打孔激光脉冲延迟一定时间，经过光学延时后的测 量光束进入由元件604，605，606和607组成的马赫-曾德尔光学干涉仪，待测量的冲击波 407区域位于测量臂中元件604，607之间的光路上，经过冲击波407区域的测量光6011与 参考光6010在平面分光镜606的反射面产生携带有冲击波信息的干涉图案，干涉图案经由 成像透镜504成像，并经过带通滤光片505，光阑506后，被高速CXD照相机507记录。带通 滤光片505滤除背景光、散射的打孔激光和由激光作用产生的等离子体发光等杂散光，光 阑506处于透镜504的焦平面。干涉图案位置与高速CXD照相机507位置相对于成像透镜 成物像共轭关系。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507对干涉图案进行拍照，触发延迟时间的选择要使得高速CCD照相机507在拍照时，冲击波407已经形成，且尚未消散。光学延时模块603所产生的光学延 时要使得干涉测量光束608中的干涉测量脉冲进入马赫-曾德尔光学干涉仪时，冲击波407 已经形成，并尚未消散，且干涉测量脉冲的作用时间处于高速CCD照相机507的曝光时间之 内。 使用本实施例所述装置拍摄的激光冲击波图像如图7所示，由图7可见，测量光经 过冲击波407区域后，干涉条纹发生扭曲，并能清晰观察到激光冲击波波前102的扩张位 置。图7拍摄的实验参数条件为激光波长1064nm，激光脉宽15ns，脉冲能量5mJ，触发照 相时间50ns，被打孔材料为环氧树脂。在本发明的另外一些实施例中，使用图6中虚线框所示冲击波照相系统406，但阻 断图6中马赫-曾德尔光学干涉仪中由元件604，605，606组成的参考臂光路，例如在元件 604,605间的光路上放置遮光片，即可作为阴影照相装置使用。在本发明的另外一些实施例中，使用图6中虚线框所示冲击波照相系统406，但使 用另一台独立的脉冲激光器产生干涉测量光束408。在本发明的一个实施例中，使用图5所示装置检测在钢质工件激光打孔过程中的 盲孔深度。脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由准直透镜组508准直后入射偏振片 509，调节偏振片509的旋转角度可以调节激光束402能量的衰减量，能量衰减后的激光束 402由聚焦透镜5010聚焦于工件上实施打孔。辅助脉冲激光器501，准直透镜组502，光学衰减片503，成像透镜504，带通滤光片 505，光阑506和高速CCD照相机507组成采用高速阴影照相法构建的冲击波照相系统406。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507对激光脉冲与工件404相互作用产生的冲击波407进行拍照， 此外，同步延时模块405经过一定时间延迟后，产生另一个触发信号Cl，触发辅助脉冲激光 器501发出辅助曝光光束5011，由高速CCD照相机507拍摄的照片数据经由图像采集模块 408输入控制计算机409，控制计算机409采用专门的图像识别算法，例如图像轮廓提取算 法，识别出激光冲击波波前轮廓，得到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张半径，参照控 制计算机中409存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连 的显示器上显示。在本发明的一些实施例中，辅助曝光激光器501采用中心波长为633nm的染料激 光器，脉宽约500ps，带通滤光片505的中心波长为633nm。打孔脉冲激光器401采用中心 波长为1064nm或532nm的Nd: YAG激光器，或中心波长为1047nm的Nd: YLF激光器，或中心 波长为10. 6 μ m的CO2激光器等常用工业激光器，优选地，所选用的激光波长应满足被打孔 材料对该波长有较高的吸收率的条件。在本发明另一个实施例中，使用图6所示装置检测激光打孔过程中的盲孔深度。 脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由准直透镜组508准直，分光镜601从激光束402 中分出与激光束402垂直的干涉测量激光束608，透过分光镜601的激光束402入射偏振片 509，调节偏振片509的旋转角度可以调节激光束402能量的衰减量，能量衰减后的激光束 402由聚焦透镜5010聚焦于工件上实施打孔。平面反射镜602，605，607，平面分光镜604，606，光学延时模块603，成像透镜504， 带通滤光片505，光阑506和高速CXD照相机507组成采用马赫-曾德尔光学干涉仪照相法构建的冲击波照相系统406。光学延时模块603使干涉测量激光束608中的脉冲相比与之 对应的打孔激光脉冲延迟一定时间。待测量的冲击波407区域位于测量臂中元件604，607之间的光路上，经过冲击波 407区域的测量光6011与参考光6010在平面分光镜606的反射面产生携带有激光冲击波 信息的干涉图案。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟 后，触发高速CCD照相机507对位于平面分光镜606的反射面的干涉图案进行拍照。由高 速CCD照相机507拍摄的照片数据经由图像采集模块408输入控制计算机409，控制计算 机409采用专门的图像识别算法，例如图像轮廓提取算法，识别出激光冲击波波前轮廓，得 到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张半径，参照控制计算机中409存储的加工参考数 据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。在本发明的一个实施例中，盲孔深度的检测步骤为第一步，针对待检测工件，建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数 据库，并将其存储于控制计算机中。使用不同的激光脉冲数或不同的激光作用时间，在待加工工件上的不同位置打 孔，得到一系列不同深度的盲孔，为了方便后期对孔深度进行显微测量，优选地，孔的中心 位于同一条直线上。对于使用不同的激光脉冲数或不同的激光作用时间在工件上所加工的孔，使用冲 击波照相系统拍摄由最后一个作用于该孔的激光脉冲产生的冲击波图像，得到一系列不同 深度孔所对应的冲击波图像。沿孔直径方向切开工件，使用光学显微设备对孔的剖面进行观测得到孔深。可使 用光学显微镜观察孔的剖面并测量孔深，或使用带CCD的显微镜或电镜拍摄孔的剖面照 片，进而测量孔的深度。冲击波图像经由图像采集模块输入控制计算机后，控制计算机采用专门的图像识 别算法，识别出冲击波波前轮廓，得到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张半径。将使用不同的激光脉冲数或不同的激光作用时间在工件上所加工的孔的深度数 据与其所对应的激光冲击波波前扩张半径数据关联起来，建立激光冲击波波前扩张半径与 孔深度关系的参考数据库，并将其存储于控制计算机中。按上述方法得到的不同深度孔的剖面显微照面，及其所对应的冲击波照片举例示 于图3之中。按上述方法测量得到的孔的深度，及不同深度孔所对应的激光冲击波波前扩 张半径示于图8之中。从图8可以看出，随着孔深的增加，激光冲击波波前扩张半径单调减 小，当孔深达到400 μ m,即形成通孔后，激光冲击波波前扩张半径减小为零。得到图8所示 数据的打孔参数条件为激光脉宽5ps，激光波长800nm，激光脉冲能量650 μ J，相机曝光时 间3ns,工件为厚度为400 μ m的Al2O3陶瓷。实验获取的参考数据越多，越利于提高盲孔深度检测的精确度，但工作量和加工成本也会随之增加。为了提高精度，优选地，不同深度孔所对应的激光冲击波波前扩张半径 应取多次实验的平均值。本发明所术盲孔深度检测方法的检测精度与检测装置各组成部分的精度相关，通常情况下，本检测方法的检测精度可达微米量级，在选用更高精度的检测设备时，例如，延时时间更加精确的延时控制器、快门时间更短的CCD高速照相机等，则可以获得更高的检 测精度。第二步，在脉冲激光打孔过程中，实时拍摄打孔激光脉冲与工件相互作用产生的 冲击波照片，控制计算机按第一步所述方法得到加工孔的实时深度，并在与控制计算机相 连的显示器上显示。 其中，在第一步中为建立数据库所进行的打孔与拍照操作时，打孔脉冲激光发射 与冲击波照相之间的延时与在第二步中实际加工时打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间 的延时相同。打孔过程中，如果控制计算机获取激光冲击波波前扩张半径所需要的时间小于打 孔激光器脉冲间隔时间，可检测每一激光打孔脉冲所产生激光冲击波波前的扩张半径，从 而得到每一脉冲作用后的加工孔深度。通常，根据检测精度的要求，可以间隔一定数量的 激光脉冲测量一次激光冲击波波前扩张半径，所间隔的激光脉冲数可由前期实验经验地得 至IJ。控制计算机可以控制在打孔过程中何时测量激光冲击波波前扩张半径以及测量的间隔 时间。激光冲击波以近声速向外界大气扩张，因此，CCD照相机曝光时间越短，越能获得 清晰的激光冲击波图像。但CCD照相机曝光时间越短对CCD照相机的性能要求越高，同时 对辅助曝光光源的强度要求越高。通常CCD照相机的曝光时间范围为小于100ns，优选的曝 光时间范围为100pS-50nS，更优选的范围为500pS-20nS，兼顾成本和精度要求，最优选的 范围为Ins-IOns0为避免用于冲击波照相的打孔脉冲与前续打孔脉冲所产生的等离子体发生相互 作用，即为避免前续打孔脉冲所产生的等离子体影响冲击波照相，应在前续打孔脉冲所产 生的等离子体完全消散后再进行冲击波照相。通常认为，在激光脉冲与材料作用后的几 百微秒内，材料等离子体可以完全消散。因此，用于冲击波照相的打孔脉冲与前一打孔脉 冲的间隔时间应大于此等离子体消散时间，优选的范围为500ys-10s，更优选的范围是 lms-ls，为了兼顾检测效果和检测效率，最优选的范围是lms-lOms。实施本发明所述一种非贯通孔的激光加工方法，要求打孔激光脉冲强度高于材料 产生激光支持的爆轰波(LSDW)现象的能量阈值，不同材料产生激光支持的爆轰波(LSDW) 现象的能量阈值不同，例如铝为1. 2士0. 2X108W/cm2，铜为1. 5士0. 3X 108W/cm2，环氧树月旨 为1. 4士0. 3X 108W/cm2，通常，使用功率密度大于约2X 108W/cm2的激光脉冲。另外，激光脉冲功率密度还由激光脉宽所决定，对于同能量的激光脉冲，脉宽越 短，强度越高。因此，使用较短脉宽的激光脉冲有利于激光冲击波的形成。同时，脉宽越短， 激光热影响区越小，能获得更高打孔加工精度。实施本发明所述盲孔的激光加工方法使用 的打孔脉冲宽度范围为lfs-500ns，优选范围为lOOfs-lOOns，更优选范围为Ips-lOns，兼 顾成本和测量精度，最优选范围为lOps-lns。本发明所述盲孔深度的检测方法中，为了有效获得激光冲击波图像，要求冲击波 照相系统进行拍照时，冲击波已经形成，并还未消散，且能分辨出清晰可见的冲击波波前， 即要求高速CCD照相机的拍照时刻必须处于冲击波的存在时间之内。从以前的研究工作中得到，使用500fs、脉冲能量500 μ J的激光脉冲烧蚀铝质工 件，在激光作用2. 2ns后就可以观察到清晰的冲击波轮廓；使用25ns、脉冲能量40mJ的激光脉冲烧蚀铜试件，在激光开始作用3ns后也能开始观察到冲击波轮廓。由此可以认为，对 于飞秒至纳秒激光脉冲，在现有拍照方法能够分辨的情况下，冲击波将在激光开始作用后 几纳秒时间内形成。此后，激光等离子体冲击波随时间不断膨胀扩张，当冲击波波前压力减 小到近似环境气压时，冲击波的扩张趋于停止，冲击波波前逐步消散。图9为模拟 得到的不 同能量激光脉冲产生的冲击波波前压力减弱到与环境气体压力相等时所需的时间。从图中 可以看出，对于ImJ至IOOmJ的脉冲能量范围，冲击波波前压力将在几微秒内减小到环境气 压值，其膨胀扩张趋于停止，此后难以检测到清晰的冲击波波前。因此，对于飞秒至纳秒脉 宽脉冲，同步延时模块延时触发冲击波照相系统进行拍照的触发延迟时间应在激光脉冲作 用后IOOps-IOO μ s范围内，优选范围为500ps-10 μ s,更优选范围为Ins-I μ s，最优选范围 为 lns_200nso
权利要求
一种盲孔深度的检测方法，脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔光学系统聚焦于工件上实施打孔，脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机对冲击波照片进行分析处理，参照控制计算机中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度。
2.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，其实施步骤为第一步， 针对待检测工件，建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库，并将其存储 于控制计算机中；第二步，脉冲激光器发出激光脉冲后，拍摄打孔激光脉冲与工件相互作用 产生的冲击波照片，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机采用专门的 图像识别算法，识别出激光冲击波波前轮廓，得到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张 半径，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制 计算机相连的显示器上显示。
3.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，冲击波照相系统可采用 高速阴影照相法或马赫_曾德尔光学干涉仪照相法对激光脉冲与工件相互作用产生的冲 击波进行拍照。
4.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，同步延时模块延时触发 冲击波照相系统对打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照，其触发延迟时间 的选择要使得冲击波照相系统在拍照时，冲击波已经形成，且尚未消散。
5.如权利要求1所述一种盲孔深度的检测方法，其特征在于，冲击波照相系统中的辅 助曝光光源可以采用独立的辅助曝光激光器或从所述打孔脉冲激光器发出的脉冲激光中 分光得到。
6.如权利要求2所述一种盲孔深度的检测方法的实施步骤，其特征在于，建立激光冲 击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库时，不同深度孔所对应的激光冲击波波前扩 张半径应取多次实验的平均值。
7.如权利要求2所述一种盲孔深度的检测方法的实施步骤，其特征在于，在第一步中 为建立数据库所进行的打孔与拍照操作时，打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时与 在第二步中实际加工时打孔脉冲激光发射与冲击波照相之间的延时相同。
8.一种盲孔深度的检测装置，其包括脉冲激光器，打孔光学系统，同步延时模块，冲 击波照相系统，图像采集模块，控制计算机；脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔光学系 统聚焦于工件上实施打孔；脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经过一定时 间延迟后，触发冲击波照相系统；冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击 波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机；控制计算机对冲击波照片进行 分析处理，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工所形成的盲孔深度。
9 如权利要求8所述一种盲孔深度的检测装置，其特征在于，采用高速阴影照相法或 马赫_曾德尔光学干涉仪照相法构建冲击波照相系统。
10.如权利要求8所述一种盲孔深度的检测装置，其特征在于，冲击波照相系统中的辅 助曝光光源可以采用独立的辅助曝光激光器或从所述打孔脉冲激光器发出的脉冲激光中 分光得到。
全文摘要
本发明介绍了一种盲孔深度的检测方法和装置。脉冲激光器401发出的脉冲激光束402经由打孔光学系统403聚焦于工件404上实施打孔。脉冲激光器401发出激光脉冲时，触发同步延时模块405，其经过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统406，对激光脉冲与工件404相互作用产生的冲击波407进行拍照，照片数据经由图像采集模块408输入控制计算机409，控制计算机409对冲击波照片进行分析处理，参照控制计算机409中存储的加工参考数据得到加工所形成的盲孔深度，并在与控制计算机相连的显示器上显示。
文档编号G01B11/22GK101819027SQ200910300599
公开日2010年9月1日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者王晓东 申请人:王晓东
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