專利名稱：多窗口多波長激光器光路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及多波長激光器系統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，特指一種外圍帶有自動(dòng)換鏡系 統(tǒng)的多波長的激光器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
薄膜技術(shù)是提高材料表面性能的重要手段，其用極少量的材料賦予零件和構(gòu)件表 面耐磨、耐腐蝕、耐熱、耐疲勞、耐輻射以及光、熱、電、磁等特殊性能，起到大量昂貴的整體 材料所難以起到的作用，大量節(jié)約資源和能源，可充分發(fā)揮基體材料和薄膜材料的潛能，降 低生產(chǎn)成本。薄膜技術(shù)已廣泛用于航空航天、機(jī)械工程、電子技術(shù)、光學(xué)工程及計(jì)算機(jī)科學(xué) 等各個(gè)領(lǐng)域。隨著薄膜技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)其可靠性和使用壽命的要求越來越高，膜基結(jié)合性能在 很大程度上決定了薄膜應(yīng)用的可靠性和和使用壽命，是得以發(fā)揮薄膜作用的基本條件，也 是薄膜制造過程中普遍關(guān)心的問題。膜基結(jié)合性能是影響表面膜質(zhì)量的首要指標(biāo)，是表面 工程技術(shù)和界面科學(xué)中極為重要的一個(gè)力學(xué)性能參量。檢測界面結(jié)合性能的方法有激光劃痕法、劃痕法、直接剝離法、壓痕法、彎曲法、沖 擊法、拉伸法等多種。但每種方法在測量技術(shù)和力學(xué)計(jì)算上有其局限性和尚待解決的問題， 直接定量測定界面結(jié)合性能至今仍然是困繞世界各國科學(xué)家的難題。中國實(shí)用新型專利號(hào)ZL02138511.4和ZL02138512. 2公開了檢測界面結(jié)合強(qiáng)度的 準(zhǔn)靜態(tài)和遠(yuǎn)紫外激光劃痕測量方法及裝置，能量連續(xù)增加的長脈沖(連續(xù)波)紅外激光和 遠(yuǎn)紫外激光直接輻射薄膜試樣表面，同時(shí)試件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而在薄膜表面產(chǎn)生劃痕，用薄 膜-基體界面處剝落所對(duì)應(yīng)的激光能量、結(jié)合膜基材料物性參數(shù)和劃痕工藝參數(shù)來表征膜 基體界面的結(jié)合強(qiáng)度。該方法具有非接觸測量、影響測量結(jié)果的因素簡潔、精確控制、便于 實(shí)現(xiàn)測量自動(dòng)化等優(yōu)勢，是具有廣闊工程應(yīng)用前景的界面結(jié)合性能檢測新技術(shù)。但上述技術(shù)中的加載方式提供一種波長，因而其僅適用于對(duì)該波長吸收率較高的 薄膜系統(tǒng)，難以廣泛用于各種不同薄膜系統(tǒng)的加載；另一方面，連續(xù)熱加載往往因?yàn)闊嵝?yīng) 而燒蝕薄膜，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的準(zhǔn)靜態(tài)加載破壞，尋求新的加載技術(shù)是界面結(jié)合性能因此 激光劃痕檢測的關(guān)鍵和難點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種多波長可切換的激光劃痕加載技術(shù)。具體地講，涉 及一種具有三窗口輸出波長激光器的外光路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同的薄膜系統(tǒng)的劃痕激光的 波長及其光路系統(tǒng)的自動(dòng)切換與選擇，以得到不同波長激光在試件表面形成的沖擊劃痕效 果，從而適用于各種硬質(zhì)工具膜、裝飾功能膜、復(fù)合材料以及其它類型薄膜的界面工程結(jié)合 強(qiáng)度檢測中的激光的劃痕。本實(shí)用新型是由激光源系統(tǒng)、自動(dòng)換鏡系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、平移臺(tái)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組 成。[0009]激光源系統(tǒng)是一種有三個(gè)輸出窗口激光器，本實(shí)施例中是一種電光調(diào)Q脈沖 NdiYAG固體激光器，三個(gè)窗口分別對(duì)應(yīng)1064歷、532歷、355歷或沈611111波長的輸出。自動(dòng)換鏡系統(tǒng)是由光學(xué)鏡片支架、支架固定圓柱體臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、光具座和三個(gè)不 同波長的全反鏡組成。步進(jìn)電機(jī)固定在光具座上，支架固定圓柱體臺(tái)固定于步進(jìn)電機(jī)上，并 能隨步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。光學(xué)鏡片支架固定于支架固定圓柱體臺(tái)上并能隨支架固定圓柱體臺(tái)轉(zhuǎn) 動(dòng)，光學(xué)鏡片支架上由三個(gè)鏡片支架桿(L、M、N)組成，長支架桿L和N的長度是短支架桿 M的2倍，短支架桿的長度等于兩個(gè)相鄰激光輸出窗口的距離，長桿L與短桿M的一端固定 于支架固定圓柱體臺(tái)上，其成長桿L與短桿M軸線成150弧度，長桿N的中部固定于短桿M 的另一端部。長桿N與短桿M的軸線相互垂直。鏡片的安裝時(shí)平面與鏡片所安裝的桿的軸 線方向成45弧度，可根據(jù)實(shí)現(xiàn)要求使鏡片沿著桿軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)。三個(gè)不同的激光窗口對(duì)應(yīng) 輸出不同的激光波長輸出，本實(shí)施例中355nm和266nm波長的激光共用一個(gè)窗口輸出。本 實(shí)用新型的目的是要求無論從哪個(gè)窗口輸出激光，都需要按相同的光路方向傳播，因此只 有通過與窗口位置對(duì)應(yīng)的全反射鏡來偏轉(zhuǎn)激光的方向。所以，當(dāng)激光的輸出窗口發(fā)生改變 時(shí)，既激光輸出的位置發(fā)生了改變，為了使激光按照相同的光路傳播，其相應(yīng)的全反射鏡也 需要在一個(gè)合適的位置來偏轉(zhuǎn)激光方向。導(dǎo)光系統(tǒng)由第一全反射鏡、第一鏡片支架、第二全反鏡、第二鏡片支架、匯聚透鏡、 水平一維電控平移臺(tái)、豎直一維電控平移臺(tái)及平移臺(tái)支撐架組成。其中第一全反射鏡及其 支架直接放置在試驗(yàn)臺(tái)上，第二全反射鏡及其支架固定在水平一維平移臺(tái)的工作臺(tái)面上。 匯聚透鏡及其支架固定在豎直一維平移臺(tái)的工作臺(tái)面上，并且，豎直一維平移臺(tái)又整體固 定在水平一維平移臺(tái)的工作臺(tái)的側(cè)邊，這樣，當(dāng)水平一維平移臺(tái)的工作臺(tái)作水平移動(dòng)時(shí)，第 二全反射鏡和豎直一維平移臺(tái)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，保證了第二全反射鏡始終與匯聚透鏡對(duì)齊。平移臺(tái)系統(tǒng)是由二維平移臺(tái)組成。該二維平移臺(tái)直接放置在匯聚透鏡的正下方。 通過匯聚透鏡的激光就會(huì)直接作用到該平移臺(tái)的工作臺(tái)面上。二維平移臺(tái)在電腦的控制下 作X方向和Y方向的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)可以是勻速運(yùn)動(dòng)，可以是變速運(yùn)動(dòng)，也可以是直線插補(bǔ) 運(yùn)動(dòng)，還可以是圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)由控制軟件、工控機(jī)等組成。工控機(jī)通過專門編寫的控制軟件對(duì)整個(gè)系 統(tǒng)進(jìn)行控制，包括對(duì)激光器的控制、自動(dòng)換鏡系統(tǒng)的控制、水平一維平移臺(tái)、豎直一維平移 臺(tái)和二維平移臺(tái)的控制。本實(shí)用新型的有益效果對(duì)于多波長的脈沖激光沖擊加載系統(tǒng)中，其自動(dòng)換鏡系 統(tǒng)大大簡化了人工操作過程，解決了人們?yōu)榱耸馆敵龅募す饽苓_(dá)到從相同的光路傳播的目 的，靠人工手動(dòng)來改變?nèi)瓷溏R的位置，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，操作不方便，而且對(duì)于每改變一個(gè) 位置，都需要重新校準(zhǔn)。本自動(dòng)換鏡系統(tǒng)解決了人工換鏡時(shí)的不足。

圖1 是本實(shí)用新型裝置1064nm波長激光輸出的位置示意圖。圖2 是本實(shí)用新型裝置532nm波長的激光輸出的位置示意圖。圖3 是本實(shí)用新型裝置322nm(或沈6歷)波長激光輸出的位置示意圖。圖4 自動(dòng)換鏡裝置的1064nm波長輸出時(shí)平面示意圖。圖5 自動(dòng)換鏡裝置的532nm波長輸出時(shí)平面示意圖。[0020]圖6 自動(dòng)換鏡裝置的355nm或波長輸出時(shí)平面示意圖。圖7 自動(dòng)換鏡裝置立體示意圖。圖8 自動(dòng)換鏡裝置結(jié)構(gòu)的正視圖。圖9 自動(dòng)換鏡裝置結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖10 自動(dòng)換鏡裝置結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖中，1 激光器，2 光學(xué)鏡片支架，3 :533nm波長激光全反射鏡，4 :1064nm波長激 光全反射鏡，5 :355nm和266nm波長激光全反射鏡，6 支架固定圓柱體臺(tái)，7 步進(jìn)電機(jī)，8 光具座，9 第一全反射鏡，10 第一鏡片支架，11 第二全反射鏡，12 第二鏡片支架，13 第 一工作臺(tái)，14 第二工作臺(tái)，15 匯聚透鏡，16 水平一維平移臺(tái)，17 豎直一維平移臺(tái)，18 平 移臺(tái)支撐架，19 試件，20 二維平移臺(tái)，21 工控機(jī)，22 :R232串口線，a :355和洸6nm激光輸 出窗口，b :532激光突出窗口，c :1024激光輸出窗口。
具體實(shí)施方式
為便于說明本實(shí)用新型，以下實(shí)施方式以一種電光調(diào)Q脈沖Nd:YAG固體激光器， 三個(gè)窗口分別對(duì)應(yīng)106411111、53211111、35511111或沈611111波長的輸出。其中355nm與共用
一個(gè)窗口。實(shí)施方案一如圖1是本實(shí)用新型系統(tǒng)1064nm波長激光輸出及劃痕裝置實(shí)施示意圖。圖4為 自動(dòng)換鏡裝置的1064nm波長輸出時(shí)平面示意圖。激光器1在工控機(jī)21的控制下從激光窗 口 c輸出1064nm波長的激光，與其對(duì)應(yīng)的全反射鏡4由自動(dòng)換鏡裝置自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)對(duì)應(yīng) 的位置來改變該激光的輸出方向。通過工控機(jī)21對(duì)步進(jìn)電機(jī)7的控制來旋轉(zhuǎn)支架固定圓 柱體臺(tái)6，帶動(dòng)固定其上的光學(xué)鏡片支架2轉(zhuǎn)動(dòng)，光學(xué)鏡片支架2上又固定了上述的3個(gè)全 反射鏡。然后，經(jīng)過光學(xué)鏡片支架2上的全反射鏡4反射出的激光到達(dá)全反射鏡9，再次改 變激光的輸出方向，到達(dá)全反射鏡11的鏡面上。全反射鏡11及其鏡片支架12 —起固定在 放置于平移臺(tái)支撐架18的水平一維平移臺(tái)16的工作臺(tái)面13上。然后，經(jīng)過全反射鏡11 的激光束偏轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)為垂直向下，直接到達(dá)了匯聚透鏡15鏡面上，然后經(jīng)過匯聚透鏡15的 匯聚作用，使激光束在試件表面18匯聚成一個(gè)很小的斑點(diǎn)。二維平移臺(tái)20在工控機(jī)21的 控制下，按照要求作X方向和Y方向運(yùn)動(dòng)，這樣就帶動(dòng)放置于二維平移臺(tái)20上的試件19運(yùn) 動(dòng)，從而形成對(duì)試件19的激光劃痕。由于脈沖激光發(fā)一次脈沖束時(shí)，在工件表面形成的沖 擊痕跡是一個(gè)小斑點(diǎn)，所以為了得到不同效果的沖擊劃痕，可以通過工控機(jī)21對(duì)激光器1 的輸出頻率、水平方向的一維平移臺(tái)16、豎直一維平移臺(tái)17和二維平移臺(tái)20的綜合控制來 實(shí)現(xiàn)。例如在沖擊劃痕過程中，為得到一條致密的劃痕，通過控制激光器1將激光輸出頻 率增大，從而在單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖激光數(shù)就會(huì)增多，同時(shí)控制二維平移臺(tái)20工作臺(tái)的 移動(dòng)速度即可。如在沖擊劃痕過程中，為了得到一條寬度不等的劃痕，可以通過調(diào)節(jié)作用在工件 19表面的脈沖激光光斑來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過程是工控機(jī)21對(duì)豎直一維平移臺(tái)17的控制下，改變 匯聚透鏡15與試件19之間的距離。由于脈沖激光經(jīng)過匯聚透鏡15后匯聚的焦點(diǎn)位置是 一定的，當(dāng)這個(gè)焦點(diǎn)位置剛好落在二維平移臺(tái)的工作臺(tái)面上，則此時(shí)在試件19表面形成的 沖擊斑點(diǎn)最小，如果將匯聚透鏡15在工控機(jī)21的控制下沿垂直方向上升或下降一段距離，則在試件19表面形成的斑點(diǎn)就會(huì)增大，從而在試件19表面得到寬度不同的沖擊劃痕效果。實(shí)施方案二如圖2是本實(shí)用新型系統(tǒng)的一種533nm波長激光輸出及劃痕裝置實(shí)施示意圖。圖 5為自動(dòng)換鏡裝置的532nm波長輸出時(shí)平面示意圖。與實(shí)施方案一不同之處是由于533nm 波長的脈沖激光是從激光器1的b窗口輸出，所以這就需要工控機(jī)21控制自動(dòng)換鏡系統(tǒng)的 全反射鏡3轉(zhuǎn)動(dòng)到激光器1的b窗口輸出位置來偏轉(zhuǎn)該脈沖激光。其他的具體的實(shí)施過程 與具體實(shí)施方案一基本相同。具體實(shí)施過程可以參照實(shí)施方案一。實(shí)施方案三如圖3是本實(shí)用新型系統(tǒng)322nm(或沈6歷)波長激光的輸出及劃痕裝置的實(shí)施示 意圖。圖6為自動(dòng)換鏡裝置的35511!11或沈611111波長輸出時(shí)平面示意圖。與實(shí)施方案一不同 之處是由于322nm(或沈6歷)波長的脈沖激光都是從激光器1的a窗口輸出的，所以這就 需要工控機(jī)21控制自動(dòng)換鏡系統(tǒng)的全反射鏡5轉(zhuǎn)動(dòng)到激光器1的a窗口的輸出位置來偏 轉(zhuǎn)該脈沖激光。其他的具體的實(shí)施過程與具體實(shí)施方案一基本相同。具體實(shí)施過程可以參 照實(shí)施方案一。
權(quán)利要求1.一種多窗口多波長激光器光路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的多窗口多波長激 光器光路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由激光源系統(tǒng)、自動(dòng)換鏡系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、平移臺(tái)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組 成，所述的自動(dòng)換鏡系統(tǒng)是由光學(xué)鏡片支架O)、支架固定圓柱體臺(tái)(6)、步進(jìn)電機(jī)(7)、光 具座(8)和不同波長的全反鏡組成，步進(jìn)電機(jī)(7)固定在光具座(8)上，支架固定圓柱體臺(tái) (6)固定于步進(jìn)電機(jī)(7)上并能隨步進(jìn)電機(jī)(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，光學(xué)鏡片支架O)固定于支架固定 圓柱體臺(tái)(6)上并能隨支架固定圓柱體臺(tái)(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，光學(xué)鏡片支架O)由三個(gè)鏡片支架桿 (L、M、N)組成，長支架桿(L)和(N)的長度分別是短支架桿(M)的2倍，短支架桿(M)的長 度等于兩個(gè)相臨激光輸出窗口的距離，其中長桿(L)與短桿(M)的一端固定于支架固定圓 柱體臺(tái)(6)上，其成長桿(L)與短桿(M)的軸線成150弧度，長桿(N)的中部固定與短桿M 的另一端部，長桿(N)與短桿(M)軸線相互垂直，全反鏡的波長與激光器的波長一一對(duì)應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于全反鏡安裝時(shí)鏡面與鏡片所安裝 的支架桿的軸線方向成45弧度，全反鏡能沿著支架桿軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的激光源系統(tǒng)是一種三窗口 四波長輸出的激光器。
4.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的導(dǎo)光系統(tǒng)由第一全反射鏡 (9)、第一鏡片支架(10)、第二全反射鏡(11)、第二鏡片支架(1 、匯聚透鏡(1 、水平一維 電控平移臺(tái)(16)、豎直一維電控平移臺(tái)(17)和平移臺(tái)支撐架(18)組成，第一全反射鏡(9) 通過第一鏡片支架(10)直接放置在試驗(yàn)臺(tái)上，第二全反射鏡(11)固定在水平一維平移臺(tái) (16)的工作臺(tái)面上，匯聚透鏡(1 固定在豎直一維平移臺(tái)(17)的工作臺(tái)面上，豎直一維平 移臺(tái)(17)整體固定在水平一維平移臺(tái)(16)的工作臺(tái)的側(cè)邊，當(dāng)水平放一維平移臺(tái)(16)的 工作臺(tái)作水平移動(dòng)時(shí)，第二全反射鏡(11)和豎直一維平移臺(tái)(17)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，保證了第二全 反射鏡(11)始終與匯聚透鏡(1 對(duì)齊。
5.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的平移臺(tái)系統(tǒng)為由二維平移 臺(tái)(20)，該二維平移臺(tái)00)直接放置在匯聚透鏡(1 的正下方，通過匯聚透鏡(1 的激 光就會(huì)直接作用到該二維平移臺(tái)00)的工作臺(tái)面上，二維平移臺(tái)00)能作X方向和Y方 向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)、直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)或圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。
6.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)包括控制軟件 和工控機(jī)(21)，工控機(jī)通過控制軟件對(duì)激光器(1)、自動(dòng)換鏡系統(tǒng)、水平一維平移臺(tái) (16)、豎直一維平移臺(tái)(17)和二維平移臺(tái)OO)進(jìn)行控制。
專利摘要本實(shí)用新型屬于多波長激光器系統(tǒng)光路轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，由激光源系統(tǒng)、自動(dòng)換鏡系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、平移臺(tái)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其特征部分自動(dòng)換鏡系統(tǒng)是由光學(xué)鏡片支架、支架固定圓柱體臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、光具座和全反鏡組成。光學(xué)鏡片支架上由三個(gè)鏡片支架桿L、M、N組成，長支架桿L和N的長度分別是短支架桿M的2倍，短支架桿M的長度等于兩個(gè)相臨激光輸出窗口的距離，其中長桿L與短桿M的一端固定于支架固定圓柱體臺(tái)上，其成長桿L與短桿M的軸線成150弧度，長桿N的中部固定與短桿M的另一端部，長桿N與短桿M軸線相互垂直。本實(shí)用新型針對(duì)不同的薄膜系統(tǒng)的劃痕激光的波長及其光路系統(tǒng)的自動(dòng)切換與選擇，以得到不同波長激光在試件表面形成的沖擊劃痕效果。
文檔編號(hào)G02B17/08GK201853940SQ20102054873
公開日2011年6月1日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者馮愛新, 周鵬程, 孫淮陽, 徐傳超, 曹宇鵬, 王俊偉, 聶貴鋒 申請人:江蘇大學(xué)