[发明专利]差动共焦Raman-LIBS光谱探测的飞秒激光加工监测融合方法与装置

摘要

本发明涉及差动共焦Raman‑LIBS光谱探测的飞秒激光加工监测融合方法与装置，属于激光精密检测技术、飞秒激光加工制造技术领域。本发明将高轴向分辨的激光差动共焦轴向监测模块与飞秒激光加工系统有机融合，利用差动共焦系统曲线零点对样品轴向位置进行纳米级原位监测和样品轴向加工尺寸测量，解决了测量过程中的漂移问题和高精度在线检测问题；利用差动共焦拉曼光谱探测模块、LIBS光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的分子结构、元素及离子等信息进行监测分析，并通过计算机对上述信息进行融合，实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量等。

主权项

1.差动共焦Raman‑LIBS光谱探测的飞秒激光加工监测融合方法，其特征在于：利用飞秒激光加工系统对样品进行微细结构加工，利用激光差动共焦轴向监测模块对样品表面形貌轮廓、加工中样品表面轴向位置进行实时监控，并对加工后样品表面的几何参数进行检测，利用拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的分子结构变化进行检测分析，利用LIBS光谱探测模块对材料的原子、小分子和元素信息进行检测分析，对上述信息进行融合获得样品微区形态和物性综合参数，进而实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量；包括以下步骤：步骤一、将待加工样品(9)置于精密工作台(10)上，由精密工作台(10)带动样品(9)进行二维扫描运动，利用差动共焦轴向监测模块(1)对样品(9)的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机(31)，用于调整样品(9)的姿态，并用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；其中，激光差动共焦轴向监测模块(1)由激光器(2)、扩束器(3)、第一分光镜(12)、差动共焦探测模块(13)组成；轴向监测平行光束(4)经二向色镜A(5)反射、二向色镜B(6)透射后，进入物镜(7)并被聚焦到样品(9)上，经样品(9)反射的反射轴向监测光束(11)依次经二向色镜B(6)透射、二向色镜A(5)反射、第一分光镜(12)反射后被分为两路，一路经探测分光镜(14)透射后经第一探测物镜(15)聚焦到第一强度探测器(16)，得到探测信号；一路经探测分光镜(14)反射后经第二探测物镜(17)聚焦到第二强度探测器(18)，得到探测信号；由差动处理模块(19)对两路探测信号处理后得到差动共焦曲线(20)；依据差动共焦曲线(20)的过零点位置对样品(9)表面位置进行纳米级监测；步骤二、利用飞秒激光器(21)、激光时空整形模块(22)、二维扫描器(24)构成的飞秒激光加工系统对样品(9)进行微细结构加工，加工过程中利用差动共焦轴向监测模块(1)对样品(9)表面的轴向位置进行监测；依据差动共焦曲线(20)的过零点位置对样品(9)表面的轴向位置进行纳米级监测；步骤三、计算机(31)依据步骤二的监测结果调整样品(9)的轴向位置，实时调整精密工作台(10)的位置，实现加工过程中样品的轴向精确定焦；步骤四、加工完成后，利用差动共焦轴向监测模块(1)对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品(9)形态参数的纳米级高精度原位检测；步骤五、轴向监测平行光束(4)经物镜(7)聚焦到样品(9)上时，激发出拉曼散射光谱，拉曼散射光谱经二向色镜B(6)反射后透过二向色镜C(42)由拉曼光谱探测模块(27)探测，对加工后样品的分子结构参数进行原位检测分析，其中，拉曼探测模块(27)由拉曼耦合镜(25)和拉曼光谱探测器(26)组成；步骤六、飞秒激光器(21)发出的脉冲光束经物镜(7)聚焦到样品(9)上，激发出等离子体羽(28)，等离子体羽(28)湮灭发出的LIBS光谱，该光谱经二向色镜B(6)反射后再次被二向色镜C(42)反射，由LIBS光谱探测模块(41)探测，对加工后样品的原子、小分子和元素信息进行原位检测分析；LIBS光谱探测模块(41)由LIBS耦合镜(39)和LIBS光谱探测器(40)组成；步骤七、将差动处理模块(19)、拉曼光谱探测器(26)和LIBS光谱探测器(40)探测得到的信号传输至计算机(31)进行信息融合，得到加工后的样品的微区形态和性能综合参数，并根据样品的微区形态和性能综合参数分析加工过程中的样品物性变化规律和检测加工后的效果，通过激光时空整形模块(22)对加工激光光束(23)进行调制，提高了微纳结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量。