本发明提供一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法，解决了现有超快激光微纳加工孔洞深度非接触式实时检测方式存在的探测设备结构复杂，探测成本高的问题。该系统包括半导体激光器、光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜、数据采集单元、数据处理单元以及激光加工设备；半导体激光器出射激光，经过光束准直单元、偏振器，在二向色分光镜处和激光加工设备出射的加工光束共同入射至被加工件；半导体激光反射光沿原光路返回入射至半导体激光器腔内，半导体激光器相对强度变化信号与加工时间的变化曲线，通过数据处理单元可实时计算出激光加工孔洞的深度。
1.一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：包括半导体激光器(1)、光束准直单元(2)、偏振器(3)、四分之一波片(4)、二向色分光镜(5)、数据采集单元(7)、数据处理单元(8)以及激光加工设备(9)；
半导体激光器(1)出射的探测光束上依次设置有光束准直单元(2)、偏振器(3)、四分之一波片(4)、二向色分光镜(5)以及被加工件(6)；所述偏振器(3)的偏振方向和探测光束偏振态一致；
激光加工设备(9)出射的加工光束经过二向色分光镜(5)后与探测光束空间上共线重合，共同入射被加工件(6)上；
探测光束照射到被加工件(6)上后，产生部分反馈光，反馈光依次经过二向色分光镜(5)、四分之一波片(4)、偏振器(3)、光束准直单元(2)重新入射回半导体激光器(1)腔内部，从而使得半导体激光器(1)两端节电压或者后腔面激光强度会发生变化；
数据采集单元(7)的输入端与半导体激光器(1)连接，数据采集单元(7)的输出端与数据处理单元(8)的输入端连接，数据处理单元(8)的输出端与所述激光加工设备(9)连接。
2.根据权利要求1所述的兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：所述半导体激光器(1)和光束准直单元(2)之间或光束准直单元(2)和偏振器(3)之间或偏振器(3)与四分之一波片(4)之间或四分之一波片(4)与二向色分光镜(5)之间设置仅对探测光束波长高透的滤光片。
3.根据权利要求2所述的兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：所述激光加工设备(9)包括激光器、激光聚焦单元以及参数调节和运动控制单元。
4.根据权利要求3所述的兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，其特征在于：所述激光器为连续激光器或脉冲激光器或超短脉冲激光器。
5.一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统,并通过以下具体步骤实现：步骤1：反馈光的形成；
开启半导体激光器和激光加工设备；激光加工设备出射的加工光束经二向色分光镜反射后在被加工件进行孔洞的加工；与此同时，半导体激光器出射探测光束依次经过光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜后在被加工件上孔洞上形成反馈光；
步骤2.1：反馈光依次经过二向色分光镜、四分之一波片、偏振器、光束准直单元重新入射回半导体激光器腔内部，数据采集单元采集半导体激光器相对强度变化信号与加工时间的变化曲线；
所述相对强度变化信号为两端节电压变化信号或者后腔面激光强度变化信号；
步骤2.2：根据所述变化曲线可知孔洞深度变化半个波长，变化曲线中的峰值或者谷值变化一个周期；
以工件表面为孔深深度零点，以该相对强度变化信号的周期数累计即可获得孔洞加工深度d，即孔洞加工深度d满足公式为：d＝(λ/2)×max{(n峰-1),(n谷-1)}；
其中，λ为半导体激光器出射波长，n峰和n谷分别为变化曲线中峰值数量和谷值数量；
数据处理单元根据孔洞加工深度，并结合加工时间，得到加工速度；
步骤4：数据处理单元将加工深度、加工速度实时反馈到激光加工设备，实现对激光加工设备的激光功率、激光偏振态、聚焦位置进行实时调整。
一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于微纳探测技术领域，涉及一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统。
背景技术
[0002] 超短激光脉冲微孔加工技术是一种新型特种加工技术，相比传统的电加工打孔和机械打孔方法，具有打孔速度快，效率高；可获得较小的孔径和较高的深径比；不受材料及其形状的影响，可以在各类材料和复杂形状的零件上进行激光打孔；可实现高密度及高定位精度的群孔加工等优势。
[0003] 现阶段我国在飞秒激光对航空发动机涡轮叶片气膜孔加工的过程中存在壁厚超过公差与质量不稳定问题，同时，由于叶片装夹定位中产生的误差传递也缺少数学定量描述，致使基于气膜孔设计模型直接加工易出现盲孔或背壁损伤缺陷，形位精度及保持性差，难以保证叶片的气冷要求；
[0004] 在发动机喷油嘴微孔的飞秒激光加工过程中，为了缩短加工时间，通常会设定高于材料烧蚀阈值的激光功率。由于中孔顶部空间较小，在打通喷孔时，激光可以照射到内腔背壁，同样会对背壁造成一定程度的烧蚀和损伤。
[0005] 现有方式是采用预填充物的方式阻止激光打孔中的背部损伤，但是打孔工艺繁杂且效率低下，不适合大规模工业化生产。因此，激光打孔深度的精确控制是实现超短脉冲激光打孔广泛应用的关键技术，针对复杂异型气膜孔和喷油嘴微孔的背壁烧蚀和损伤问题以及高效高精成形，其加工过程的孔深加工的实时性监测及群孔孔深一致性的控制等方面仍面临诸多挑战。
[0006] 目前飞秒激光加工微孔具有接触式和非接触式两种检测技术。接触式测量在深孔径比的微小孔测量中有重要应用，具有极高的可靠性且不受工件特性影响。但由于接触式测量通常需要进行多点接触测量，具有测量速度较慢、效率不高的缺点，并且不具备实时检测功能。因此，现在的工业上一般主要采用非接触式测量，其中涵盖了实时性和非实时性非接触测量。非实时性非接触测量包括基于机器视觉和图像采集与分析、SEM、3D显微成像、激光或者X射线照射成像等，该类方法对于加工精度在微米甚至亚微米量级的高精度加工中不具备激光加工的实时监控性。在非接触式实时检测方面，主要采用OCT等探测手段来对孔深进行表征。这些激光加工深度的测量技术具有很高的空间分辨率，但是仍然存在实际应用中的局限性，尤其在高密度及高定位精度的群孔加工中对每个孔深度的实时监控，探测成本高，复杂性大。
发明内容
[0007] 为了克服现有超快激光微纳加工孔洞深度非接触式实时检测方式存在的探测设备结构复杂，探测成本高的问题，本发明提供了一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法。
[0008] 本发明的具体技术是：
[0009] 本发明提供了一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，包括半导体激光器、光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜、数据采集单元、数据处理单元以及激光加工设备；
[0010] 半导体激光器出射的探测光束上依次设置有光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜以及被加工件；所述偏振器的偏振方向和探测光束偏振态一致；
[0011] 激光加工设备的出射的加工光束经过二向色分光镜后与探测光束空间上共线重合，共同入射被加工件上；
[0012] 所述探测光束的波长与加工光束的波长不同；
[0013] 数据采集单元的输入端与半导体激光器连接，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端连接，数据处理单元的输出端与所述激光加工设备连接。
[0014] 进一步地，为了防止部分残余光和杂散光对被加工件反射回半导体激光器的反射光造成影响，上述半导体激光器和光束准直单元之间或光束准直单元和偏振器之间或偏振器与四分之一波片之间或四分之一波片与二向色分光镜之间设置仅对探测光束波长高透的滤光片。
[0015] 进一步地，上述激光加工设备包括激光器、激光聚焦单元以及参数调节和运动控制单元。
[0016] 进一步地，上述激光器为连续激光器或脉冲激光器或超短脉冲激光器。
[0017] 基于上述对一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统的结构描述，现对采用该系统进行孔洞加工的方法做一下说明,具体步骤如下：
[0018] 步骤1：反馈光的形成；
[0019] 开启半导体激光器和激光加工设备；激光加工设备出射的加工光束经二向色分光镜反射后在被加工件进行孔洞的加工；
[0020] 与此同时，半导体激光器出射探测光束依次经过光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜后在被加工件上孔洞上形成反馈光；所述反馈光携带有被加工件上孔洞实时深度相对应的相位信息；
[0021] 步骤2：根据反馈光实时获取孔洞加工深度；
[0022] 步骤2.1：反馈光依次经过二向色分光镜、四分之一波片、偏振器、光束准直单元重新入射回半导体激光器腔内部，数据采集单元采集半导体激光器相对强度变化信号与加工时间的变化曲线；
[0023] 所述相对强度变化信号为两端节电压变化信号或者后腔面激光强度变化信号；
[0024] 步骤2.2：根据所述变化曲线可知孔洞深度变化半个波长，变化曲线中的峰值或者谷值变化一个周期；
[0025] 以工件表面为孔深深度零点，以该相对强度变化信号的周期数累计即可获得孔洞加工深度d，即孔洞加工深度d满足公式为：
[0026] d＝(λ/2)×max{(n峰-1),(n谷-1)}；
[0027] 其中，λ为半导体激光器出射波长，n峰和n谷分别为变化曲线中峰值数量和谷值数量；
[0028] 步骤3：获得加工速度；
[0029] 数据处理单元8根据孔洞加工深度，并结合加工时间，得到加工速度；
[0030] 步骤4：数据处理单元将加工深度、加工速度实时反馈到激光加工设备，实现对激光加工设备的激光功率、激光偏振态、聚焦位置进行调整。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] 本发明通过半导体激光器、光束准直单元、偏振器、四分之一波片、二向色分光镜、数据采集单元、数据处理单元以及激光加工设备构成的加工系统，兼备加工和实时检测能力，并且该系统结构简单，另外该系统中所使用的光学器件均属于常规光学器件成本低，且易于实现。
[0033] 本发明中可同时调节偏振器和四分之一波片，使得反馈光在半导体激光器内部形成的自干涉信号最强，从而有效提升数据采集信号的信噪比。
[0034] 本发明中的半导体激光器出射的探测光束在被加工件的孔洞内形成的反馈光，由反馈光回射入半导体激光器，对半导体激光器进行干扰，数据处理单元通过半导体激光器对两端节电压变化或者后腔面激光强度变化信息进行分析的到孔洞的实时深度，从而结构加工时间可对激光加工设备进行调整，使得整个加工过程更加可靠、高效。
[0035] 本发明属于实时性相干探测，能达到微米甚至纳米级的实时性探测精度；能够应用于粗糙的表面探测；结构紧凑简单，集成度高，易于和激光加工系统集成，并切本发明可对激光微纳加工深度进行了实时的监测，对提高微纳群孔加工的稳定性提供了保证。
附图说明
[0036] 图1为本发明的结构原理图。
[0037] 图2为半导体激光器相对强度变化信号与加工时间的变化曲线。
[0038] 其中：1-半导体激光器；2-光束准直单元；3-偏振器；4-四分之一波片；5-二向色分束镜；6-被加工件；7-数据采集单元；8-数据处理单元；9-激光加工设备。
具体实施方式
[0039] 为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
[0040] 实施例
[0041] 参见图1，一种兼备加工和实时检测能力的激光孔洞加工系统，包括半导体激光器1、光束准直单元2、偏振器3、四分之一波片4、二向色分光镜5、数据采集单元7、数据处理单元8以及激光加工设备9；需要说明的是：激光加工设备8采用现有常规的激光加工设备，其主要组成部分包括激光器、激光聚焦单元以及参数调节和运动控制单元。另外，此处的激光器可以为连续激光器或脉冲激光器或超短脉冲激光器。本实施例中选用超短脉冲激光器。
此处的光束准直单元2为快慢轴准直系统；
[0042] 半导体激光器1出射的探测光束上依次设置有光束准直单元2、偏振器3、四分之一波片4、二向色分光镜5以及被加工件6；偏振器3的偏振方向和探测光束偏振态一致；
[0043] 激光加工设备9的出射的加工光束经过二向色分光镜5后与探测光束空间上共线重合，共同入射被加工件6上；
[0044] 所述探测光束的波长与加工光束的波长不同；
[0045] 数据采集单元7的输入端与半导体激光器1连接，数据采集单元7的输出端与数据处理单元8的输入端连接，数据处理单元8的输出端与所述激光加工设备9连接。
[0046] 为了防止部分残余光和杂散光对被加工件反射回半导体激光器的反射光造成影响，可在半导体激光器1和二向色分光镜5之间插入仅对半导体激光器波长高透的滤光片，其插入位置可以是半导体激光器1和光束准直单元2之间或光束准直单元2和偏振器3之间或偏振器3与四分之一波片4之间或四分之一波片4与二向色分光镜5之间的任意位置。
[0047] 通过对实施例的系统结构描述，现对利用该实施例进行孔洞加工的方法作进一步详尽的描述：
[0048] (1)对半导体激光器1出射的探测光束通过光束准直单元2分别进行快轴准直和慢轴准直；
[0049] (2)调节偏振器3的偏振方向使其和探测光束的偏振态一致，之后经过四分之一波片4；
[0050] (3)探测光束在二向色分光镜5处和激光加工设备9中超短脉冲激光器出射的加工光束(微纳米级超短脉冲激光)空间上共线重合，探测光束和加工光束共同入射到被加工件6上；
[0051] (4)孔型判断；
[0052] (4.1)若数据采集单元7未采集到半导体激光器1两端节电压变化或者后腔面激光强度变化信息，则认为，此时被加工件6已被击穿，判断孔洞为通孔，根据情况可以停止进行加工；
[0053] (4.2)若数据采集单元7采集到半导体激光器1两端节电压变化或者后腔面激光强度变化信息，认为该孔洞为盲孔；
[0054] 其中，半导体激光器1两端节电压变化或者后腔面激光强度变化信息产生的原因是：
[0055] 探测光束照射到被加工件6上后，产生部分反馈光，反馈光依次经过二向色分光镜5、四分之一波片4、偏振器3、光束准直单元2重新入射回半导体激光器1腔内部，从而使得半导体激光器1两端节电压或者后腔面激光强度会发生变化；
[0056] (5)数据采集单元7获取半导体激光器1相对强度变化信号与加工时间的变化曲线，如图2所示，并将该变化曲线传输至数据处理单元8；所述相对强度变化信号为两端节电压变化信号或者后腔面激光强度变化信号；
[0057] (6)数据处理单元8计算孔洞的深度信息；
[0058] 根据所述变化曲线，得到的关系是：孔洞深度变化半个波长，变化曲线中的峰值或者谷值变化一个周期；
[0059] 以工件表面为孔深深度零点，以该相对强度变化信号的周期数累计即可获得孔洞加工深度d，即孔洞加工深度d满足公式为：
[0060] d＝(λ/2)×max{(n峰-1),(n谷-1)}；
[0061] 其中，λ为半导体激光器出射波长，n峰和n谷分别为变化曲线中峰值数量和谷值数量；
[0062] (7)数据处理单元8根据孔洞加工深度，并结合加工时间，得到加工速度；
[0063] (8)数据处理单元8将加工深度、加工速度实时反馈到激光加工设备9，实现对激光加工设备9的激光功率、激光偏振态、聚焦位置进行调整。
[0064] 其中，在步骤(5)中可同时调节偏振器和四分之一波片，使得反馈光在半导体激光器内部形成的自干涉信号最强，增大数据采集信号的信噪比。
