[发明专利]飞秒激光制作数字图像相关方法中微观散斑的方法及系统

说明书

本发明涉及一种飞秒激光制作数字图像相关方法中微观散斑的方法及系统，属于微观变形测量技术领域。使用飞秒激光在待制作样品表面刻蚀微观散斑。刻蚀的微观散斑跟随待制作样品变形移动，可作为数字图像相关测量的信息载体，从而测量出待制作样品在载荷下的位移、应变等信息。本发明刻蚀的微观散斑能够达到微米级，适用于测量微观变形，刻蚀深度不超过2μm，对待制作样品性能影响小，微观散斑能够在高温下不失效，本发明方法适用于金属材料、陶瓷材料、有机材料和复合材料等绝大部分材料，刻蚀过程自动控制，效率高。

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光制作数字图像相关方法中微观散斑的方法及系统，属于微观变形测量技术领域。

背景技术

随着制造技术的发展，为了获得构件和材料更详细的性能指标，提升制造水平，要求能够测量微纳米量级的变形。数字图像相关测量作为一种非接触式光学测量，在测量中几乎不影响待制作样品本身的性质，具有全场测量的特性，能够全面获取构件和材料的位移、应变等信息，在微纳变形测量中有广泛应用。

数字图像相关通过分析附着在待制作样品表面的散斑在变形前后的相关性来确定待制作样品的变形特征，散斑是待制作样品变形的信息载体，散斑的质量决定了测量的准确性，微米量级的变形测量要求散斑的分辨率也要达到微米量级。数字图像相关常用的散斑有自然散斑和人工散斑两种。自然散斑是指待制作样品表面自然的斑点或者纹理，比如铸铁表面的石墨斑点或木材表面的纹理。人工散斑指的是通过人工方法处理待制作样品表面，使其表面附着上斑点。目前，常见的处理方法有：人工喷漆法、化学气相沉积法、纳米颗粒喷涂法等。

但是，以上常见的人工散斑制作方法均存在一定的问题：人工喷漆法得到的散斑较大，尺寸最小为亚毫米级，不能满足微小变形的测量需求，而且在高温下会发生氧化甚至脱落；化学气相沉积法制备的散斑受待制作样品表面性质影响较大，且制备过程可能会改变待制作样品表面的物理化学性质；纳米颗粒喷涂制备的散斑同样受待制作样品表面性质影响，而且重复性较差。

发明内容

本发明的目的是提出一种飞秒激光制作数字图像相关方法中微观散斑的方法及系统，以克服已有技术中的缺点，制备高精度的微米级散斑，而且使制备过程可控，制备结果重复性好，适用于大部分材料，且微观散斑在高温下不会脱落。

本发明提出的飞秒激光制作数字图像相关方法中微观散斑的方法，包括以下步骤：

(1)用无水乙醇将待制作样品的表面清洗干净，并进行干燥处理；

(2)根据要求，确定需制作的微观散斑直径、微观散斑密度和微观散斑场类型，并根据确定的散斑直径、散斑密度和散斑场类型生成微观散斑场，根据微观散斑场中微观散斑的坐标得到三维工作台的运动轨迹；

(3)将飞秒激光光束入射到待制作样品上，将待制作样品置三维工作台上，使三维工作台根据步骤(2)的运动轨迹运动，完成待制作样品表面微观散斑的制作，其中飞秒激光光束的单个脉冲能量为1nJ～5μJ，飞秒激光光束直径为3mm～10mm，飞秒激光光束的重复频率1Hz～1000Hz，飞秒激光的脉冲个数1～1000，飞秒激光的离焦量-5μm～5μm。

上述方法中，所述的待制作样品的材料为金属材料、陶瓷材料、有机材料或复合材料。

上述方法中，所述的微观散斑场的类型为矩形阵列、圆阵列或随机分布。

本发明提出的飞秒激光制作数字图像相关方法中微观散斑的系统，包括飞秒激光器、透镜组、衰减片、反射镜、快门、光阑、物镜、三维工作台、计算机组成；飞秒激光器发出的激光经透镜组整形为平行激光束；经过衰减片后能量衰减为指定参数，反射镜将衰减后的平行激光束反射后，使平行激光束垂直入射到待制作样品表面；快门控制通过的平行激光束的脉冲个数；光阑控制平行激光束的直径；平行激光束通过光阑经物镜聚焦后，入射到固定在三维工作台上的待制作样品上，计算机控制飞秒激光器、快门和三维工作台工作，制作数字图像相关方法中的微观散斑。