CN117506121A - 激光功率监控***和激光加工方法、装置、***及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了激光功率监控***和激光加工方法、装置、***及介质。所述***包括:光闸、分束器、光陷以及光电探测器,光闸用于接收激光器出射的光束,将光束分为用于加工第一路光束和第二路光束;分束器用于将第二路光束分为第三路光束和用于监控的第四路光束;光陷用于吸收多余的第三路光束;光电探测器用于接收第四路光束以对第四路光束进行监控。所述方法包括:接收模式选择指令,当模式为分时模式时,控制光闸不进行分束;当模式为分能量模式时,控制光闸将激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。通过实施本发明的方法可解决现有技术中无法有效监测激光功率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域,尤其涉及激光功率监控***和激光加工方法、装置、***及介质。
背景技术
随着科技的发展,增材制造逐渐成为一种先进的制造技术。现有技术中,通常将高功率激光经过准直镜与振镜反射到场镜上后聚焦在基板的金属粉末上,并按照路径逐点扫描熔化基板上的粉末,由此可知,对激光功率的控制也是必不可少的,通常在激光光路上放置分光镜,采集激光功率以对其进行监测,但在线监测镜片的安装会影响到原始激光光路且因为镜片的放入会增加整个打印***损坏的风险,且空间光路装调复杂且稳定性也较差,使得无法有效的监测激光功率。
发明内容
本发明实施例提供了激光功率监控***和激光加工方法、装置、设备及介质,旨在解决现有技术中无法有效监测激光功率的问题。
第一方面,本发明实施例提供了激光功率监控***和激光加工方法,其包括:一种激光功率监控***,其特征在于,包括:光闸、分束器、光陷以及光电探测器,所述光闸用于接收激光器出射的光束,并将所述光束分为用于加工第一路光束和第二路光束,其中,所述第二路光束的功率小于所述第一路光束的功率;所述分束器用于将所述第二路光束分为第三路光束和用于监控的第四路光束,其中,所述第四路光束的功率小于所述第三路光束的功率;所述光陷用于吸收多余的所述第三路光束;所述光电探测器用于接收所述第四路光束以对所述第四路光束进行监控。
第二方面,本发明实施例还提供了一种激光加工***,其包括:激光器、准直镜、振镜以及场镜,所述激光器向光闸出射光束;所述准直镜用于将从所述光闸出射的第一路光束进行准直;所述振镜用于将从所述准直镜出射的所述第一路光束进行反射;所述场镜用于将从所述振镜出射的所述第一路光束进行聚焦,使得所述第一路光束聚焦到所述待加工基板的金属粉末上。
第三方面,本发明实施例还提供了一种激光加工方法,应用于一直激光加工***,其包括:接收模式选择指令,所述模式包括分时模式和分能量模式;当所述模式为分时模式时,控制光闸不进行分束,以使激光器出射的光束全部用于加工;当所述模式为分能量模式时,控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。
第四方面,本发明实施例还提供了一种激光加工装置,应用于一直激光加工***,包括:选择单元,用于接收模式选择指令,所述模式包括分时模式和分能量模式;分时单元,用于当所述模式为分时模式时,控制光闸不进行分束,以使激光器出射的光束全部用于加工;分能量单元,用于当所述模式为分能量模式时,控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。
第五方面,本发明实施例还提供了一种激光加工***,其特征在于,所述激光加工***包括存储器及处理器,所述存储器上存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如第三方面所述的方法。
第六方面,本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,所述程序指令当被处理器执行时可实现上述方法。
本发明实施例提供了激光功率监控***和激光加工方法、装置、设备及介质。其中,所述方法包括:接收模式选择指令,所述模式包括分时模式和分能量模式;当所述模式为分时模式时,控制光闸不进行分束,以使激光器出射的光束全部用于加工;当所述模式为分能量模式时,控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。本发明实施例通过选择所需的模式,若选择分能量模式,则将激光器出射的光束进行分束,将光束分别用于加工与监控,在不影响原始光路的同时避免了因在光路中放入镜片引入的激光聚焦在基板上的位置误差,且避免了因大功率激光打在放入光路中的镜片上对镜片造成损伤的可能,可以有效监测激光的功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的激光加工***的示意图;
图2为本发明实施例提供的激光加工方法的流程示意图;
图3为本发明实施例提供的激光加工装置的示意性框图;
图4为本发明实施例提供的激光加工***的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解,在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解,在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
请参阅图1,图1为本发明实施例提供的激光加工***的示意图。该激光加工***采用激光功率的监测***进行监控。本实施例中的激光功率的监测***包括:激光器10、光闸20、分束器30、光陷40以及光电探测器50,其中,光闸20设置于激光出口处,可将激光器10射出的激光进行分束,分束器30位于光闸20之后用于将激光再次进行划分,光陷40吸收多余的激光以及光电探测器50根据接收到的激光进行功率检测。采用本发明方法,可以避免因大功率激光打在放入光路中的镜片上对镜片造成损伤的可能,使得有效监测激光的功率。
所述光闸用于接收激光器出射的光束,并将所述光束分为用于加工第一路光束和第二路光束,其中,所述第二路光束的功率小于所述第一路光束的功率。
在本实施例中,所述光闸是分光器,可以将激光分为两路。所述激光器射出的光束首先遇见所述光闸,所述光闸根据根据分光比将所述激光分成第一路光束以及第二路光束,所述第二路光束的功率小于所述第一路光束的功率,例如,所述激光器射出的光束的总功率为500W,那么经过所述光闸,所述光束可分为300W的第一路光束以及200W的第二路光束,其中,所述第一路光束用于在基板中进行打印工作,所述第二路光束经处理后用于监控所述激光功率。
另外,本实施例中还包括:所述光闸的分光比为99:1,所述第一路光束的占比为99%,所述第二路光束的占比为1%。其中99%的激光用于打印工作,1%的激光用于监控***。例如,激光器射出的光束的总功率为500W,那么用于打印工作的激光功率为495W,第二路光束的激光功率大小则为5W。通过根据分光比对所述光束进行分光,使得通过第二路光束功率实现对激光功率的监控,同时可避免因激光功率减少而对工件打印造成影响,且由光闸率先接收激光器出射的光束,使得在激光束进入准直镜之前进行分光,不影响原始光路。避免了因在光路中放入镜片引入的激光聚焦在基板上的位置误差。
所述分束器用于将所述第二路光束分为第三路光束和用于监控的第四路光束,其中,所述第四路光束的功率小于所述第三路光束的功率。
在本实施例中,所述分束器是用来将激光分为两路的镜片。所述分束器位于光闸之后,处于第二路光束的射程内,所述分束器接收所述第二路光束,将所述第二路根据分光比进行分束,可以分为第三路光束以及第四路光束,其中,所述第三路光束为冗余光束,不用于执行任何操作,所述第四路光束的功率远小于所述第三路光束的功率,且用于监控所述激光器所射出的激光。本实施例中,还包括:所述分束器的分束比为99.9:0.1,所述第三路光束的占比为99.9%,所述第四路光束的占比为0.1%。所述分束器接收到所述第二路光束后根据99.9:0.1的分数比将其进行分光,例如,所述第二路光束的激光功率为5W,则所述第四路光束的激光功率为5mW,剩余功率均为第三路光束的激光功率。通过根据所述分束器案子99.9:0.1的分束比将第二路光束进行分束,以获取第四路光束,使得获取的第四路光束的功率处于光电探测器的可接受的功率范围内,从而在不损伤探测器的情况下完成对激光功率的监测。
所述光陷用于吸收多余的所述第三路光束。
在本实施例中,所述光陷是由一个部分透明的反射镜、一个薄而弱的吸收体、两个会聚透镜和一个全反射镜组成,用于收集多余的激光。通过使用光陷将第三路光束吸收,使得没有多余的激光到达后续的光电探测器中,以保证所述探测器不被损坏。
所述光电探测器用于接收所述第四路光束以对所述第四路光束进行监控。
在本实施例中,所述光电探测器是实现光电转换的探测器,所述光电探测器将接收到的激光功率经过光电转化转换成电流信号,电流信号经跨阻放大电路转换成电压信号输出,由输出的电压信号表征激光功率稳定性。具体地,所述光电探测器将接收到的所述第四路光束转换为电流信号,在将其转换为电压信号并输出。通过输出的电压信号的稳定性可以判断所述激光的稳定性,例如,电压信号是稳定的,作为说明探测器接收到的激光的功率稳定,即激光器输出的激光功率稳定。通过光电探测器以监控所述激光的稳定性。
本发明实施例还提供一种激光加工***,如图1所示,该***包括上述实施例的激光功率检测***、激光器10、准直镜60、振镜70以及场镜80,所述激光器10用于向光闸出射光束;所述准直镜60用于将从所述光闸出射的第一路光束进行准直;所述振镜70用于将从所述准直镜出射的所述第一路光束进行反射;所述场镜80用于将从所述振镜出射的所述第一路光束进行聚焦,使得所述第一路光束聚焦到所述待加工基板的金属粉末上。
在本实施例中,所述激光器,用于向光闸出射光束。所述激光器为激光的光源,用于向光闸射出一束发散的高斯光束,其中,所述激光器出射的光束的波长为1064nm。其中,所述激光器射出的光束由光纤进行传输。通过将射出的激光束由光纤进行传输使得激光加工***的结构公差小,容易装调对准。
在本实施例中,所述准直镜,用于将从所述光闸出射的第一路光束进行准直。所述准直镜是一种用于将光束变为平行光或准平行光的光学元件,具体地,因所述激光器射出的激光束由光纤进行传输,所以需要准直镜将其整形后变为平行光。所述光闸将光束进行分束后,生成所述第一路光束。通过准直镜将所述第一路光束进行准直可以减小激光后续经过场景所造成的像差,且避免了因大功率激光打在放入光路中的镜片上对镜片造成损伤的可能。
在本实施例中,所述振镜,用于将从所述准直镜出射的所述第一路光束进行反射。所述振镜是一种光学器件,可以将光束反射并控制其方向.它通过定向的振动来调整光路和光束的方向。所述第一路光束经过所述准直镜后打在45°扫描振镜表面,所述振镜可将所述第一路光束进行反射。通过使用振镜将从所述准直镜出射的所述第一路光束进行反射,使得所述光束可以准确的到达场镜以及待加工基板中,以顺利使用激光加工零件。
在本实施例中,所述场镜,用于将从所述振镜出射的所述第一路光束进行聚焦,使得所述第一路光束聚焦到所述待加工基板的金属粉末上。所述场镜工作在物镜焦平面附近,可以有效减小探测器尺寸的透镜。所述场镜接收从所述振镜出射的所述第一路光束,并将其进行聚焦。所述场镜通过将第一路光束进行聚焦使得所述第一路光束可以聚焦到待加工基板中,以对基板上的零件进行加工。
图2是本发明实施例提供的一种激光加工方法的流程示意图。其中,所述方法应用于上述一种激光加工***中,如图所示,该方法包括以下步骤S110-S130。
S110、接收模式选择指令,所述模式包括分时模式和分能量模式。
在本实施例中,所述模式选择指令为用于控制所述光闸运行模式的指令,所述光闸分为分时模式和分能量模式。具体地,接收所述模式选择指令后根据所述指令执行相应措施,例如选择所述分时模式,则将所有激光用于对零件的加工,不额外分成激光用以监控激光功率,若是分能量模式,则将所述激光束进行分束,拿出一小部分用于对激光功率的监控。通过接收所述选择指令以选择出适合当前场景的模式,且满足对激光多种情况的应用。
S120、当所述模式为分时模式时,控制光闸不进行分束,以使激光器出射的光束全部用于加工。
在本实施例中,所述分时模式为在任何给定的时间,只有一个工作站使用激光器的模式,该模式下可以不监控激光的功率,此时激光器射出的激光不会被光闸进行分光,全部用于加工基板上的金属粉末。具体地,若是在所述分时模式中,所述激光器射出所述光束,并且通过光纤传输所述光束至准直镜,由准直镜将所述激光束进行整形后成为平行光,将所述平行光发射至45°扫描振镜表面,振镜再将所述平行光折射至场镜,由场镜将其进行聚焦至待加工基板的金属粉末中,以实现对待打印零件的加工。通过分时模式以控制光闸不进行分束可使得激光器出射的光束全部用于加工。
S130、当所述模式为分能量模式时,控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。
在本实施例中,所述分能量模式为两个工作站同时接收激光功率的模式。即一个工作站用于接收光束用于工件加工,另一工作站接收光束用于监控激光功率,因此,此时需要控制所述光闸将激光进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。具体地,所述激光器出射光束并以光纤方式传输,所述光束经过光闸时,光闸根据99:1的分束比将所述激光束分为第一路光束以及第二路光束,其中,所述第一路光束占有99%的激光功率,所述第二路光束有1%的激光功率。将所述第二路光束由光纤的方式传输至分束器,所述分束器再将所述第二路光束按照99.9:0.1的分束比进行划分,以生成第三路光束以及第四路光束,其中第四路光束的激光功率小于第三路光束的功率,由光纤将第三路光束进行吸收,通过光电探测器和所述第四路光束进行监控所述激光束的功率。具体地,所述光电探测器将第四路光束转换为电流信号,再将所述电流信号转换为电压信号以实现对激光功率的监测。通过控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束,以实现在不影响零件打印过程以及不损伤探测器的情况下仍能实现对所述激光功率的监控。
图3是本发明实施例提供的一种激光加工装置200的另一示意性框图。如图3所示,对应于以上激光加工方法,本发明还提供激光加工装置。该激光加工装置包括用于执行上述激光功率的监测方法的单元,该装置可以被配置于激光加工***中。具体地,请参阅图3,该激光功率的监测装置包括选择单元210、分时单元220以及分能量单元230。
选择单元210,用于接收模式选择指令,所述模式包括分时模式和分能量模式。
分时单元220,用于当所述模式为分时模式时,控制光闸不进行分束,以使激光器出射的光束全部用于加工。
分能量单元230,用于当所述模式为分能量模式时,控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。
需要说明的是,所属领域的技术人员可以清楚地了解到,上述激光功率的监测装置200和各单元的具体实现过程,可以参考前述方法实施例中的相应描述,为了描述的方便和简洁,在此不再赘述。
上述激光功率的监测装置可以实现为一种计算机程序的形式,该计算机程序可以在如图4所示的激光加工***上运行。
请参阅图4,图4是本申请实施例提供的一种激光加工***的示意性框图。该激光加工***包括包括激光器、准直镜、振镜、场镜、光闸、分束器、光陷以及光电探测器。
参阅图4,该激光加工***500包括通过***总线501连接的处理器502、存储器和网络接口505,其中,存储器可以包括非易失性存储介质503和内存储器504。
该非易失性存储介质503可存储操作***5031和计算机程序5032。该计算机程序5032包括程序指令,该程序指令被执行时,可使得处理器502执行激光功率监控***和激光加工方法。
该处理器502用于提供计算和控制能力,以支撑整个激光加工***500的运行。
该内存储器504为非易失性存储介质503中的计算机程序5032的运行提供环境,该计算机程序5032被处理器502执行时,可使得处理器502执行激光功率监控***和激光加工方法。
该网络接口505用于与其它设备进行网络通信。本领域技术人员可以理解,图4中示出的结构,仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图,并不构成对本申请方案所应用于其上的激光加工***500的限定,具体的激光加工***500可以包括比图中所示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者具有不同的部件布置。
其中,所述处理器502用于运行存储在存储器中的计算机程序5032,以实现上述方法的步骤。
应当理解,在本申请实施例中,处理器502可以是中央处理单元 (CentralProcessing Unit,CPU),该处理器502还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路 (Application Specific IntegratedCircuit,ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array,FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中,通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
本领域普通技术人员可以理解的是实现上述实施例的方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。该计算机程序包括程序指令,计算机程序可存储于一存储介质中,该存储介质为计算机可读存储介质。该程序指令被该计算机***中的至少一个处理器执行,以实现上述方法的实施例的流程步骤。
因此,本发明还提供一种存储介质。该存储介质可以为计算机可读存储介质。该存储介质存储有计算机程序,其中计算机程序包括程序指令。该程序指令被处理器执行时使处理器执行如上述方法的步骤。
所述存储介质可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机可读存储介质。
本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如,各个单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***,或一些特征可以忽略,或不执行。
本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本发明实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。
该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分,或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台激光加工***(可以是个人计算机,终端,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种激光功率监控***,其特征在于,包括:光闸、分束器、光陷以及光电探测器,
所述光闸用于接收激光器出射的光束,并将所述光束分为用于加工第一路光束和第二路光束,其中,所述第二路光束的功率小于所述第一路光束的功率;
所述分束器用于将所述第二路光束分为第三路光束和用于监控的第四路光束,其中,所述第四路光束的功率小于所述第三路光束的功率;
所述光陷用于吸收多余的所述第三路光束;
所述光电探测器用于接收所述第四路光束以对所述第四路光束进行监控。
2.根据权利要求1所述的激光功率监控***,其特征在于,所述光闸的分光比为99:1,所述第一路光束的占比为99%,所述第二路光束的占比为1%。
3.根据权利要求1所述的激光功率监控***,其特征在于,所述分束器的分束比为99.9:0.1,所述第三路光束的占比为99.9%,所述第四路光束的占比为0.1%。
4.一种激光加工***,用于对待加工基板上的金属粉末进行加工,其特征在于,包括如权利要求1-3任一项所述的激光功率监控***。
5.根据权利要求4所述的激光加工***,其特征在于,所述激光加工***还包括:激光器、准直镜、振镜以及场镜,
所述激光器用于向光闸出射光束;
所述准直镜用于将从所述光闸出射的第一路光束进行准直;
所述振镜用于将从所述准直镜出射的所述第一路光束进行反射;
所述场镜用于将从所述振镜出射的所述第一路光束进行聚焦,使得所述第一路光束聚焦到所述待加工基板的金属粉末上。
6.根据权利要求4所述的激光加工***,其特征在于,所述激光器出射的激光的波长为1064nm。
7.一种激光加工方法,其特征在于,应用于权利要求4-6任一项所述的激光加工***,所述方法包括:
接收模式选择指令,所述模式包括分时模式和分能量模式;
当所述模式为分时模式时,控制光闸不进行分束,以使激光器出射的光束全部用于加工;
当所述模式为分能量模式时,控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。
8.一种激光加工装置,其特征在于,包括:
选择单元,用于接收模式选择指令,所述模式包括分时模式和分能量模式;
分时单元,用于当所述模式为分时模式时,控制光闸不进行分束,以使激光器出射的光束全部用于加工;
分能量单元,用于当所述模式为分能量模式时,控制所述光闸进行分束,以将所述激光器出射的光束分为用于加工第一路光束和用于实现监控的第二路光束。
9.一种激光加工***,其特征在于,所述激光加工***包括存储器及处理器,所述存储器上存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求7所述的方法。
10.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,所述程序指令当被处理器执行时可实现如权利要求7所述的方法。
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