一种激光光斑分析方法及装置

本发明涉及超短脉冲激光精密加工，尤其涉及一种激光光斑分析装置，应用于10μm量级小尺寸激光光斑检测分析中。

背景技术：

1、超短脉冲激光凭借其脉冲作用时间极短已成为一种精密微加工的重要技术手段，其聚焦光斑的能量分布与加工过程、加工质量等息息相关。市场上已有不少成熟的检测设备，可用于分析百微米到数毫米范围直径的激光准直光束和聚焦光斑。但由于光斑探测相机像元尺寸、检测像素数量和相机饱和功率密度等条件限制，对于10μm量级的小尺寸光斑，现有方法和设备无法直接得到检测结果。

2、大多数现有技术手段是通过更换长焦镜头、将聚焦光斑放大以覆盖探测相机更多像元再进行检测，虽然可以通过相关数学公式以换算测得的光斑能量分布和光束发散角，但更换镜头、使用理论公式换算等过程忽略了原本用于精密加工用镜头的真实性能，导致检测结果并不能真正代表激光束经加工用镜头聚焦、用于实际加工过程的光斑能量分布和光束发散角。

3、现有专利公开号cn107966278a公开了一种引起激光放大器前激射的反射率测量方法，其设计有楔形镜、衰减片一和衰减片二。其楔形镜设计有角度，使反射光与直射光之间形成夹角。而其设计的两个衰减片的前后两面均为平面，且衰减片分设在离轴抛物镜的两侧，这种结构布置不适用于10μm量级小尺寸激光光斑检测分析中。另外，其衰减片发射激光会形成异常光斑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光光斑分析装置，解决目前光斑分析装置产生异常光斑的问题。

2、本发明的技术方案是：一种激光光斑分析装置包括显微物镜、与所述显微物镜垂直设置的光管、用于将显微物镜接收的激光垂直反射至光管中的反射镜、及用于接收穿过光管中的激光并分析的光斑探测相机，其特征在于，还包括多个衰减片，自所述光管朝向反射镜的一端设置多个所述衰减片；所述衰减片的一面为a面，另一面为b面，所述a面为向b面倾斜的斜面，所述a面朝向或背向所述反射镜设置，多个衰减片的a面设在同一侧。

3、上述方案中，将多个衰减片依次设置形成多片联用的结构，这种结构能够更好地降低入射激光的功率密度，避免超过光斑探测相机的饱和功率（超过饱和功率后将会导致相机损坏，且测量结果为白色过曝效果）。

4、如果衰减片的前后面均为平面，从第一衰减片的a面进入的激光自b面向下一个衰减片a面发射，该光束一部分自a面向b面传递，另一部分则从a面反射到上一个衰减片的b面，因为都是平面结构，则反射的光束与原光路径重合，将形成异常光斑（如图6所示）。

5、因此，上述方案将衰减片的其中一个面设计为斜面，且安装后多个衰减片的斜面均在同一侧，则反射光达到斜面后以倾斜的角度折射，不与原光路径重合，不形成重复反射，不产生异常焦点。

6、优选的，所述激光光斑分析装置还包括用于调节显微物镜的高度及俯仰角度的第一调节机构，所述第一调节机构置于显微物镜与光管之间。

7、优选的，所述第一调节机构包括平移台、调节螺杆、第一平台和第二平台，所述平移台的顶部水平固定所述第一平台，所述第二平台位于第一平台的上方，所述第二平台用于安装显微物镜；所述调节螺杆在第二平台的周边均布有多个，所述调节螺杆用于调节第二平台及其上的显微物镜相对于第一平台的俯仰角度；所述光管和反射镜置于平移台的旁侧，且所述反射镜和光管的一端位于第一平台的下方。

8、优选的，所述第一调节机构包括还包括连接杆；所述连接杆垂直贯穿所述第一平台和第二平台；所述连接杆在第一平台的周边均布多个以形成多个调节点，所述第一平台通过所述调节点沿连接杆上下位移，以调节平移台的高度。

9、优选的，所述第一平台上设有锁紧件，所述锁紧件与连接杆位置对应，且所述锁紧件在垂直于连接杆的长度延伸方向上伸缩以与连接杆抵接或间隔设置；所述连接杆在第二平台中间隙装配。

10、优选的，所述激光光斑分析装置还包括能调节光管轴线位置的第二调节机构，所述第二调节机构与所述光管连接。

11、优选的，所述第二调节机构包括能调节光管轴线位置的多个调整座，所述调整座包括环体和在所述环体上均布的多个调整杆，所述光管自环体穿过，每个所述调整杆相对于环体能形成不同的伸缩量以抵接所述光管。

12、优选的，所述激光光斑分析装置还包括置于显微物镜底部用于调节显微物镜高度的压电陶瓷位移器。

13、本发明还提供一种激光光斑分析方法，采用上述的激光光斑分析装置进行，包括：

14、1）调整所述激光光斑分析装置处于水平位置；

15、2）向显微物镜中打入激光，激光以一定的倍率传输至衰减片并从第一个衰减片的a面进入，依次经其他衰减片的a面和b面后从最后一个衰减片的b面射出，经光管传输至光斑探测相机中；

16、4）检测光斑是否在视野范围内，若无法检测到光斑，则调整显微物镜的高度和/或光管的位置，直至光斑位于视野中心附近；

17、5）开启光斑探测相机，调整入射光束水平位移距离ｄin，同时测得光斑质心的实际水平位移距离ｄac，使用ｄac/ｄin计算所述激光光斑分析装置的实际放大倍率；

18、6）重复步骤4）-5），直至实际放大倍率满足设计要求，分析聚焦光斑；

19、7）输出分析结果。

20、步骤6中的设计要求为能够满足光斑能量分布及计算光束发散角的聚焦光斑的直径。光斑能量分布是通过激光照射到光斑探测相机感光芯片上，光的强度转化为探测相机像素的灰度、从而得到光的强度分布。聚焦光斑直径也是光斑探测相机感光芯片上读取光的强度覆盖区域直径。

21、优选的，步骤6）中，当实际放大倍率满足设计要求后，通过光斑探测相机检测聚焦光斑尺寸和能力分布情况，再调整显微物镜的高度。

22、优选的，步骤3）中，激光以先聚焦、再放大、再以准直聚焦的方式传输。

23、因光斑探测相机的像元尺寸一般为2-5μm，根据光斑检测经验来看（包括thorlabs等知名供应厂商），一般光斑大小至少要覆盖4×4个探测器像元、检测结果方为有效。意味着光斑尺寸至少要大于8×8μm以保证满足检测要求，但最小尺寸光斑的检测结果无法得到如图5所示的形貌良好的光斑，只能得到数个像素块。另外，这种直接测量方法还受限于激光能量，若激光器输出最低能量仍大于光斑探测相机饱和功率密度，会导致探测相机感光芯片过曝而无法得到检测结果。

24、因此，本发明将聚焦光束放大后准直（依次通过第一镜体和第二镜体实现）、再聚焦（通过筒镜实现）。使用与聚焦物镜相同的显微物镜对聚焦光束做放大处理，可以最小化聚焦光束放大准直后的波前变化和像差。同时放大后的光斑较大，可以覆盖更多的像元，避免超过光斑探测相机饱和功率密度，保证得到如图5所示的光斑检测结果。

25、与相关技术相比，本发明的有益效果为：

26、一、所述激光光斑分析装置通过设计具有斜面的衰减片，在多片组合使用时，更好地降低入射激光的功率密度，避免超过光斑探测相机的饱和功率，且避免反射的光束与原光路径重合，形成的异常光斑；

27、二、本发明将聚焦光束放大、准直再聚焦，使用与聚焦物镜相同的显微物镜对聚焦光束做放大处理、可以最小化聚焦光束放大准直后的波前变化和像差。同时放大后的光斑较大，可以覆盖更多的像元，避免超过光斑探测相机饱和功率密度，能用于检测小尺寸光斑，得到形貌良好的光斑检测结果。