基于多模态视觉感知与SPC-TD3强化学习的水导激光耦合对准协同控制

《Optics & Laser Technology》：Cooperative control of Water-Guided laser coupling alignment based on multimodal visual perception and SPC-TD3 reinforcement learning

　　

提出了一种位置-尺度约束的SPC-TD3控制器用于激光-水射流对准。
•将多模态CCD视觉状态映射为连续的X/Y/Z执行器动作。
•将光斑尺寸、径向偏差和执行器限制嵌入TD3奖励函数中。
•与PID相比，SPC-TD3收敛更快且残余误差更低。
•三轴对准将径向偏差从24μm降低至2μm。

引言

水引导激光加工（WGLM）以高速微水射流作为激光能量传输的介质。激光束沿水射流通过水/空气界面的全内反射传播，形成兼具高能量密度和工件表面冷却/冲刷作用的混合加工射流[1]、[2]、[3]，如图1所示。与传统的干式激光加工相比，WGLM可以显著减小热影响区、降低重铸层厚度、提高切口垂直度，并增强硬脆材料、复合材料和难加工金属的微加工质量[4]、[5]、[6]。

激光束与水射流光波导之间的耦合是水引导激光加工系统中的关键技术使能手段。其精度和效率直接决定激光能量传输，从而影响加工质量和效率[7]。耦合的本质目标是在激光束和水射流之间实现高精度同轴对准，以使激光能够以最小能量损失通过全内反射在水柱内稳定传播[8]。在WGLM中，激光束必须在喷嘴孔口平面上形成具有合适尺寸、精确中心位置和适当入射角的聚焦光斑，然后才能进入微孔并与水射流光波导耦合[9]、[10]、[11]。如果光斑中心偏离喷嘴孔口中心，部分激光能量可能撞击喷嘴端面或孔口内壁，导致耦合效率降低、端面散射增强甚至喷嘴烧蚀[12]。图2对比了完好喷嘴孔口与烧蚀喷嘴孔口。如果光斑直径过大，即使光斑中心接近孔口中心，光斑边缘仍会因超出喷嘴有效光传输区域而被截断。如果焦点位置偏离喷嘴平面，喷嘴平面上的光斑尺寸和能量-密度分布将发生变化，从而降低水射流内能量耦合的稳定性[13]、[14]、[15]。因此，激光-水对准不是一个简单的二维中心重合问题，而是一个涵盖X/Y中心偏差、Z方向焦点位置和喷嘴孔口直径约束的三轴协同控制问题。

完好喷嘴具有近似圆形的入口和相对光滑的周围表面。相比之下，烧蚀入口周围有明显的变色和不规则损伤。这种明显的形貌差异可以在图2(a)和图2(b)之间观察到，凸显了调节激光光斑尺寸和中心对准的必要性：超出有效孔径的照射将导致喷嘴端面损伤。虽然这些光学显微照片展示了喷嘴表面状况的差异，但它们并未提供传输激光功率的定量表征。

先前的研究表明，水引导激光系统中的能量传输不仅受水射流稳定性的影响，还强烈受到激光束、微孔喷嘴和水射流入口之间耦合状态的影响[16]、[17]、[18]、[19]。Liu等人[20]系统综述了WGLM的发展现状、系统架构、激光-水耦合、能量损失和传播模式。他们指出，激光波长、焦点位置、数值孔径、水射流稳定性和耦合单元结构均影响水射流光波导内的激光传输效率。Deng等人[21]利用时域有限差分法建立了激光束在水射流中的电磁传播模型，并分析了1064 nm和532 nm激光在水柱中的光场分布和热效应。他们的研究为理解水射流光波导中的激光传播提供了理论基础。Wei等人[22]进一步考虑了水射流不稳定性、激光参数和对准误差对激光耦合的综合作用，报告称水射流形貌扰动和入射激光状态变化会扭曲水射流内的能量分布并降低耦合效率。

关于激光-水耦合精度，Liu等人[23]建立了静态对准偏差下水束光纤的耦合效率和光束质量模型。他们的结果表明，横向偏差对激光传输路径和能量分布的影响最为显著，表明同轴激光-水对准对于提高耦合效率至关重要。Huang等人[24]从高容差聚焦的角度研究了WGLM的激光束聚焦和耦合技术，并试图通过光学设计提高系统对轴向调整误差的适应性。Zhang等人[25]提出了一种负离焦耦合对准方法，将焦点位置相对于水射流入口偏移，以降低光学窗口和喷嘴处的功率密度，从而提高高功率WGLM系统的热安全性和耦合稳定性。Zhang等人[26]利用气体收缩层流提高了高功率WGLM中的水射流稳定性，为降低喷嘴附近的热风险并增强远距离传输提供了另一种途径。

除单光束激光耦合外，近期的研究还试图通过采用多光束或多耦合策略来提高WGLM的能量承载能力。Wang等人[27]提出了通过空间偏振组合和时间调制将双合束激光耦合到微水射流中的方法。该方法实现了有效的双光束耦合，以及水射流内较高的输出功率和耦合效率。Shen等人[28]对不同的激光-水射流耦合方法下的光斑功率密度分布进行了数值研究。他们指出，光斑直径应小于水射流光波导的喷嘴直径，且激光数值孔径和发散角必须满足水射流中的全内反射条件。他们的发现进一步表明，喷嘴直径、光斑尺寸、径向偏移和角度偏移共同决定耦合质量。Subasi等人[29]将过程监测引入水引导激光微孔钻孔，证明了实时信号监测有助于识别加工状态并提高过程可控性。

总体而言，现有的水射流引导激光微加工（WGLM）研究已表征了水射流稳定性、静态对准偏差、负离焦耦合和多光束能量传输。然而，目前的大多数对准方法仍处于开环配置，或将轴向聚焦与横向对准作为独立的处理步骤。在更广泛的光学文献中，被动光束整形实现辐照度再分布，而自适应光学和基于随机梯度的系统校正波前像差或最大化通过小孔的传输功率[30]、[31]、[32]、[33]。然而，水引导激光的对准需要同时考虑多个约束：喷嘴平面上的光斑直径、直径相关的横向容差、全内反射条件、视觉状态置信度以及有界压电驱动和聚焦操作。因此，在闭环三轴控制回路中协调这些耦合参数仍然是一个关键的未解决工程问题。

为了解决这一问题，本研究提出了一种由四个核心组件组成的三轴协同对准框架。首先，一种物理信息化的尺度-位置准则整合了高斯孔径采集、几何约束满足、全内反射要求、高斯光束聚焦和一阶水膜修正。其次，专门的喷嘴孔口检测和聚焦光斑感知流水线提取视觉状态，并为弱反射信号设计了基于置信度的保持/重新采集机制。第三，通过将标准的双延迟深度确定性策略梯度（TD3）控制器与水射流引导激光加工（WGLM）特定的状态定义、尺度-位置惩罚项和执行器安全投影相结合，构建了所提出的尺度-位置约束TD3（SPC-TD3）。最后，本研究在统一的数值模型上评估了比例积分微分（PID）控制、预测补偿PID、深度确定性策略梯度（DDPG）、TD3、近端策略优化（PPO）和所提出的SPC-TD3，并在100μm喷嘴实验平台上进一步验证了尺度-位置逻辑和校准反馈控制器。

章节片段

喷嘴孔口平面上的光斑尺寸和位置约束

将激光束耦合到水射流波导中的基本要求是通过喷嘴进入的光线必须满足后续传播过程中水/空气界面的全内反射条件[34]、[35]、[36]。因此，必须满足两个独立的约束条件：(i)激光光斑必须被限制在喷嘴孔径的热安全区域内，(ii)水/空气界面处的入射角必须满足θi≥θc+Δθs，

X-Y-Z三轴执行器

为实现尺度-位置耦合约束下的自动激光-水对准，我们构建了一个集成CCD视觉观察、X/Y压电反射镜调整和Z轴聚焦调整的实验平台，如图6所示。来自光源的1080 nm激光在第一反射镜和第二反射镜上反射，通过聚焦透镜组，在喷嘴孔口平面上形成聚焦光斑。CCD相机捕获喷嘴端面图像以识别喷嘴孔口

实验平台和评估指标

第3.5节中描述的数值环境用于评估SPC-TD3策略及其与其他算法的对比。物理平台评估了多模态视觉测量、执行器映射、聚焦校准和三轴尺度-位置控制逻辑。在该平台上，物理运动由校准的尺度-位置优先规则和预测补偿PID共同生成。

激光-水对准和耦合实验平台由...组成

结论

本研究开发了一种物理信息化的视觉引导三轴框架，用于将聚焦激光束与微水射流对准。主要贡献和验证结果如下：

(1)为水引导激光对准制定了尺度-位置耦合准则。高斯孔径捕获和几何包含将允许的径向误差与喷嘴平面光斑直径关联起来，而全内反射仍作为独立的引导条件。一阶

CRediT作者贡献声明

吴锐：撰写——初稿，软件，数据整理。聂松林：监督，方法论，调查研究，概念化。姬辉：撰写——审阅与编辑，软件，方法论，概念化。李济楷：可视化，软件。聂平：调查研究，形式分析，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的可能影响本论文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52475045）的支持。我们感谢匿名审稿人提出的宝贵评论和有见地的建议，这些建议使本论文得到了实质性改进。

吴锐|聂松林|姬辉|李济楷|聂平