[发明专利]一维高速、高分辨率成像系统及基于该系统的实时熔池监测方法

说明书

本发明公开了一维高速、高分辨率成像系统及基于该系统的实时熔池监测方法。这种新型熔池监测成像系统包括：飞秒激光器、光学时域拉伸组件、光路组件、聚焦组件、二向色镜、滤波组件、信号收集组件、环形器、调制组件等组件。优点如下：1、本发明基于光学显微系统的成像原理，成像帧率可达100MHz量级(帧间隔10纳秒)；2、本发明可达近衍射极限的空间分辨率；3、本发明可达纳秒量级的时间分辨率；4、本发明可实现长时间连续拍摄，从而完全满足激光加工熔池动力学的研究与在线监测要求；5、本发明的系统光路为飞秒激光主动照明、结合光栅合束和脉冲耦合，能很好的抑制加工区域强光对成像的不良影响。

技术领域

本发明涉及高速成像技术领域，具体涉及一种一维高速、高分辨率成像系统及基于该系统的实时熔池监测方法。

背景技术

高功率激光材料加工制造近年广泛应用于各项制造领域，得到快速的发展。对高功率激光材料加工过程中，位于激光与材料作用区域熔池演化的实时在线监测一直是备受关注的问题。

熔池本身温度较高且体积较小，适用的在线监测方法不多，目前较常见的方法是使用高速摄像机、红外热像仪和高温计等装置对熔池进行监测。激光加工过程中产生的熔池变化过程快，通常在纳秒到毫秒量级，高速摄像机难以捕捉动态过程。而且，激光加工的熔池温度高、视场亮度强，大小为毫米级，冷却速度快，又通常被加工产生的等离子体或蒸汽所遮挡，在可见光到红外波段均产生强烈的干扰，观测难度很大。目前对熔池演化时间分辨监测效果较好的X-ray成像技术，因其装置复杂、成本高昂，且连续拍摄时帧率较低，仅适用于科学研究，难以作为工业加工中的在线实时监测系统推广应用。现有的基于CCD或CMOS高速摄像机的成像帧率最高为1MHz，无法对1微秒以下的熔池变化过程进行高时间分辨观测。

发明内容

针对上述问题，本申请实施例通过提供“高速、高分辨率的熔池在线监测技术”，实现高速、高分辨、长时间的连续熔池表面形貌图像获取，将成像帧率从传统高速相机的1MHz提升两个数量级至100MHz量级；

本发明提供一种一维高速、高分辨率成像系统，其特征在于，系统是基于透射式原理的一维成像系统；

光源组件：作为成像系统光源；

一维色散元件：用于对激光进行空间转换与一维色散傅里叶变换；

聚焦模块：用于对空间激光脉冲进行聚焦；

调制组件：用于对激光脉冲进行调制；

滤波组件：用于对空间光束进行滤波分离；

信号收集组件：用于收集包含实时激光加工件动态检测信号，并进行光电和模电信号转换与信号处理。

在上述一种一维高速、高分辨率成像系统，所述一维色散元件包括：光纤、衍射光栅；所述光纤将光源组件产生的激光信号脉冲中不同成分光进行在时域上的色散傅里叶变换；由衍射光栅将脉冲光谱的不同波长成分投射到空间的不同位置，以此实现待测熔池的空间信息映射到脉冲的频谱上；所述光源组件激光器与加工所用激光器的波长参数不同，通过滤波组件进行滤波处理可避免所述加工激光的反射与折射对所述观测激光脉冲产生干扰或其他影响。

在上述一种一维高速、高分辨率成像系统，其特征在于，

调制组件1包括：任意波形发生器、调制器1；在监测光路中，利用任意波形发生器产生随机二进制编码，利用调制器1将二进制编码调制在所述监测脉冲激光的时域信号上，对所述激光脉冲进行编码调制。