利用光学麦克风进行高级过程监控的激光车削技术 朱利安·泽特尔（Julian Zettl）、 克里斯蒂安·卢茨（Christian Lutz） 拉尔夫·赫尔曼（Ralf Hellmann）

《Photonics》：Laser Turning with Advanced Process Monitoring by Optical Microphone Julian Zettl, Christian Lutz and Ralf Hellmann

　　摘要 我们报告了一种利用超短激光脉冲监测切向激光车削的新方法。通过使用一种无膜光学麦克风组成的超声波传感器，可以分析烧蚀过程的当前状态，从而可能实现实时自动化调节。由于其高灵敏度、带宽和采样率，它是过程监测的理想工具。聚焦飞秒激光脉冲引起的材料烧蚀会产生特定的声波，这些声波可以被光学麦克风检测到。在利用超短激光脉冲进行激光车削过程中，旋转圆柱形工件的直径减小会导致声学发射的变化，从而可以推断出加工进度的状态等信息。 1. 引言聚焦超短激光脉冲（USPs）是加工各种材料的成熟工具。飞秒级别的脉冲持续时间使得几乎不对工件产生热效应的非接触式材料烧蚀成为可能。此外，较小的焦距直径可以实现微米级的特征尺寸。这种技术已经在激光表面处理、激光钻孔或精密切割等各种操作领域得到应用[1,2,3]。利用超短激光脉冲进行激光车削是在传统车床上使用聚焦USP光束作为工具的过程。近年来，这种方法在砂轮修复[4,5]、工具制造[6,7,8]或医学工程[9]等不同应用领域受到了广泛关注。由于加工结果取决于多种参数，如光束传播、焦平面定位、几何条件等[10,11]，因此为了提高效率并优化用户操作，使用额外的过程监测被认为是这种微加工技术进一步发展的有益手段。当聚焦的超短脉冲激光束照射到固体表面时，材料内的原子和分子会吸收入射能量并释放离子。这些离子又吸收激光辐射，产生由自由电子、电离原子及相关物质组成的高温高密度等离子体羽流。等离子体羽流的快速膨胀会产生冲击波，该冲击波被光学麦克风检测为声波[12]。此外，材料的热应力及其释放也在声波的产生中起作用。激光脉冲被材料吸收会导致局部温度升高，从而引起热膨胀，在固体内部产生热弹性波[13,14]。这会在表面产生非零的声强横向梯度，进而由于声波衍射导致粒子沿表面运动[15]。这些机制使得可以利用声学传感器（即麦克风）来分析超短激光脉冲触发的烧蚀过程。虽然市面上有可用于多种依赖连续发射激光的过程监测系统，但目前还没有适用于监测USP激光烧蚀过程的传感器系统。从宏观材料加工领域直接转移的已知系统往往不够适用，因为非常小的加工几何形状和非常快的加工速度带来了挑战。例如，光学相干断层扫描（OCT）常用于监测激光切割或焊接过程[16,17,18]。但由于极小的加工几何形状和低加工发射量，无法直接将此类系统应用于USP激光烧蚀过程。一种监测短脉冲激光过程的方法是通过激光诱导击穿光谱学来检测产生的等离子体，从而区分被烧蚀的材料。此外，还开发了实验室级别的方法，利用基于硅的线阵相机来检测200纳米至600纳米范围内的二次发射强度谱的变化，并据此判断加工事件[19]。与当前USP激光加工的应用率相比，这种系统的采样率较低，加上其有限的光谱带宽，限制了其适用性。除了使用光电二极管或相机进行光信号检测外，通过麦克风检测声学过程发射来进行声学过程监测也是一种成功的方法。这种方法已应用于激光焊接[20,21]、激光切割[22]、增材制造[23]和裂纹检测[24,25]等过程。然而，根据多项研究的结果[24,26,27]，传统麦克风的缺点在于其带宽相对较窄，对20 kHz以下的频率具有高灵敏度，但对更高频率范围的灵敏度很低或没有灵敏度。USP激光系统在材料加工中的特点是脉冲频率范围内（即脉冲重复率及其高次谐波）的声学发射强度很高[28]。由于重复率超过50 kHz，有时甚至达到兆赫兹范围，传统麦克风无法检测到这些声学发射。新型光学麦克风的优势在于能够实现高达4 MHz的采样率，从而能够在更高的时间分辨率和频率范围内检测和分析声学过程发射[25]。这些麦克风利用声波引起的空气折射率变化，这种变化可以通过连接在光纤尖端上的法布里-珀罗谐振器来检测。这种光学麦克风在工业过程监测中的应用已经得到验证，包括高压电缆的检测[29]、发动机制造中的连接器组装[30]以及各种无损材料测试方法[31,32,33]。除了上述应用外，光学麦克风还成功用于控制连续波激光焊接过程中的焊接深度[34]。Authier等人在后续研究中进一步比较了OCT和光学麦克风在监测焊接深度和所需匙孔形成方面的效果[35]。光学麦克风还被用于激光焊接过程中检测由于材料导热性低而引起的应力裂纹[25]。除了上述激光焊接应用外，光学麦克风还应用于增材制造[36,37]、激光金属沉积[38]、激光微钻孔[39]以及其他过程[40,41,42]。最近，光学麦克风的先进特性还使其能够监测USP激光过程[43]。在这方面，一个层检测系统被用来检测由铜和聚酰亚胺组成的多层材料在制造电路板过程中的烧蚀过渡[44]。正如先前的研究已经表明的那样，声能水平与烧蚀速率相关[44]。实际的烧蚀取决于能量密度，并与多种烧蚀过程（剥落、相爆炸、碎裂、蒸发、等离子体）密切相关[45]。然而，所有这些过程都是由单个激光脉冲引起的，这导致了该频率下的声音产生，也解释了本研究中考虑的频率范围。使用这种类型的麦克风来观察USP过程中的相应频率范围是一种新颖的方法，与其他声学探测器在频率范围和灵敏度方面都有所不同。通过将这种先进的监测技术应用于激光车削过程，可以通过分析声学发射来确定过程状态。由于激光相对于工件边缘的位置是引发材料烧蚀的主要参数，因此通过检测发出的声波可以清楚地追踪烧蚀过程，从而判断过程是否完成以及是否达到了目标材料直径。除了在微钻孔中腔体几何形状阻碍声波扩展的情况外，激光车削过程有利于声波的扩展，因为烧蚀是在材料表面连续发生的。这使得激光车削过程成为使用光学麦克风作为过程监测工具的理想应用。 2. 材料与方法 2.1. 激光系统实验是在一台配备五个机械轴的激光微加工站上进行的（GL.evo，GFH GmbH，德国德根多夫）。三个直线轴负责实现聚焦激光束在材料上的横向和垂直定位及移动。两个旋转轴用于调整倾斜角度并实现工件的旋转。工件的最大旋转速度为500转/分钟。作为激光源，使用了TruMicro 5050 Femto Edition（Trumpf SE & CO. KG，德国迪青根），其脉冲重复率为100 kHz，波长为1030 nm，脉冲宽度为800 fs，平均功率输出为40 W。该加工头的光束直径为4.1 mm，光束质量因子M2为1.3，焦距为60 mm，生成的焦斑直径为25 μm，瑞利范围为365.1 μm。使用的加工气体为N2，流量为15 L/min，压力为0.5 bar，通过直径为1 mm的喷嘴。在这种设置下，可以在平面表面上实现最大能量密度为81.8 J/cm2。此外，还配备了一个可选的独立光路中的扩孔光学元件，允许聚焦激光束以高达28,000转/分钟的速度旋转，并且直径可调。激光通过位于聚焦光学元件前的1/4波片引导，以确保圆偏振，从而防止偏振效应对烧蚀的影响。 2.2. 光学麦克风用于过程监测的麦克风（Eta450，XARION Laser Acoustics GmbH，奥地利维也纳）具有50 kHz至2 MHz的带宽和100 dB的动态范围。虽然传统麦克风通过振动膜检测声波，但这里使用的测量系统是一种法布里-珀罗干涉仪。传感器头由两个部分透明的平行镜组成，它们通过光波导接收激光束。声波引起的空气密度变化会导致传感器头内谐振器空气腔的折射率变化。光路长度的变化会导致干涉模式的变化，进而改变返回光的强度。采样率为3.1 MHz，用于监测激光车削过程。为了计算频谱图，声学信号被分成多个离散的频率带，每个频率带都有相应的归一化声功率谱密度。基于频谱图，在10 kHz至1550 kHz的定义频率范围内计算声学能量，以便快速高效地评估加工事件。为了补偿计算过程中的局部峰值，使用了不同大小的能量考虑窗口，周期分别为1 ms和1000 ms，以计算相应的声学能量。然而，这不会影响所显示声学能量的时间分辨率。通过对指定频率范围内指定数量的光谱进行非归一化声功率谱密度叠加来实现时间缩放。以这种方式计算的声学能量是相对的，并已进行归一化以便于可视化。该麦克风的灵敏度为100 mV/Pa，自噪声水平为5 μPa（在500 kHz时）。其他用于工业应用或研究目的的麦克风可能工作在最高100 kHz的频率范围内；然而，它们的灵敏度较低，约为3.5 mV/Pa，自噪声水平较高，为35 dB或大约1.12 mPa（MP30-Ultra，Roga Instruments，德国Nentershausen）。有关光学麦克风的更多详细信息、功能和性能，请参考[35,46]。 2.3. 材料与过程表征利用超短激光脉冲进行激光车削可以制造出具有微米级特征尺寸的旋转对称工件。本文重点讨论了切向过程，即激光束沿着旋转工件的外轮廓引导以烧蚀材料并实现最终几何形状，如图1所示。图1. 使用光学麦克风监测的切向激光车削过程示意图。为了产生材料烧蚀效果，聚焦的激光束必须相对于工件的外圆周引导一定距离进入材料内部。这个距离也被称为偏移量，在切向激光加工过程中起着重要作用，因为它显著影响材料表面的激光照射区域，从而影响有效的激光能量密度和脉冲间的重叠程度。关于这一计算过程的详细描述，作者和其他人在[11]中有详细说明。在实验研究中，使用了直径为1毫米的硬质合金棒（K-44UF）作为测试材料。该材料由12%的钴和88%的碳化钨组成，维氏硬度为1690千克/平方毫米，抗弯强度为4000牛顿/平方毫米。这些特性使得这种材料非常适合用作钻孔和切割工具。

第一组实验包括一系列重复次数逐渐增加的烧蚀过程，如图2a所示。工件的旋转速度设定为500转/分钟，聚焦激光束的线速度为0.01毫米/秒。烧蚀过程中使用的重复频率为20千赫兹，脉冲能量为100微焦耳。聚焦激光束垂直于材料旋转轴方向移动0.1毫米进入材料内部。激光路径平行于旋转轴的长度为0.5毫米，激光的焦点始终保持在旋转轴的水平位置。评估的重点是在不同工艺状态以及不同工件直径下，激光烧蚀产生的声学信号。图2展示了所进行的实验：(a) 在恒定偏移量下增加重复次数；(b) 单次重复处理时偏移量的增加；(c) 使用扩孔光学装置时偏移量的增加。

在第二组实验中，激光束进入材料的距离从0.01毫米逐渐增加到0.1毫米，如图2b所示。其他所有参数与第一组实验相同。本次实验的重点是声学信号与烧蚀速率之间的相关性。

第三组实验也包括一系列偏移量逐渐增加的激光路径，如图2c所示。在这种情况下，使用了直径固定的扩孔光学装置（100微米）。这个直径与其他参数结合，使得平面表面的脉冲间重叠程度达到大约65%，这已被证明是材料加工的合理值。偏移量的范围从-0.05毫米逐渐增加到0.06毫米。这意味着当偏移量为-0.05毫米时，聚焦激光束几乎不接触材料；而当偏移量达到或超过0.05毫米时，所有激光脉冲都会照射到工件上。当偏移量为0毫米时，有一半的激光脉冲作用于材料上。其他所有参数与第一组实验相同。本次实验的重点是通过分析过程中的声学信号来确定当前的偏移位置。

在所有实验中，光学麦克风与加工材料之间的距离约为10厘米。这个距离确保了能够可靠地检测到由烧蚀过程产生的声波。如果将光学麦克风移得更近，可能会使传感器受到烧蚀材料的污染。如果距离更远或传感器倾斜角度更大，可能会导致声学信号强度降低，从而可能造成信号损失。关于光学麦克风放置的更多细节，请参见[44]。

为了测量工件直径和表面粗糙度Sa，使用了共聚焦激光扫描显微镜（VK-X3000，Keyence，大阪，日本）。为了计算烧蚀速率，将圆柱形材料的最终横截面积减去初始横截面积，然后乘以聚焦激光束的线速度。

3. 结果
3.1 在恒定偏移量下增加重复次数
第一组实验的结果总结在图3中。左上角的图表显示了激光加工过程中检测到的归一化声能。图表分为五个部分，由垂直的灰色虚线分隔。从左到右，每个部分表示在同一工件区域上进行激光加工的次数逐渐增加。右上角的图表显示了表面粗糙度和工件直径的减小情况，作为重复次数的函数。下图显示了加工结果的显微镜图像。图3：左上角：随时间变化的检测到的声能；虚线垂直线表示重复次数的增加；右上角：表面粗糙度Sa和工件直径的减小情况；底部：加工结果的显微镜图像。检测到的归一化声能在每次激光路径通过材料后达到一个较低的基础水平，约为0.4。这个水平可以认为是激光微加工站内的环境噪声，主要由烟雾排放和使用的加工气体引起。较高的声能水平表示在超短激光脉冲加工过程中发生了材料烧蚀。每次重复次数的增加都会降低检测到的声能的最大值。这种行为与材料去除量的减少有关，可以从直径减小图中得出。一次重复使工件直径减小约0.1毫米。两次连续重复使直径减小约0.18毫米，即第二次重复仅使直径减小0.08毫米。这是由于几何条件的变化造成的。第一次重复后，直径减小，改变了偏移量，从而改变了激光照射在圆柱表面的区域以及激光入射角度。这种模式持续进行，直到由于材料表面能量密度低和入射角度过高而无法再去除更多材料。在本研究中，初始偏移量为0.1毫米时，最大直径减小约为0.2毫米。这种情况在连续五次重复后达到。第五次重复几乎不再减小直径。第五部分图表显示了五次连续激光路径的声能变化情况，从运行时间的第十一分钟开始，最后一次重复的平均声能水平接近环境噪声。仔细观察这个最后的重复过程，在声能图中可以看到激光在材料上移动开始和结束时的两个明显峰值。这些峰值在本研究中三次或更多次重复中都可以观察到，与垂直激光路径和工件的几何形状有关。显微镜图像显示，在三次或更多次重复后，材料中的90°角度处没有残留物。这有利于球形传播声波的干涉模式，光学麦克风将其检测为峰值强度。此外，本研究中随着重复次数的增加，声能的持续降低与表面粗糙度Sa的增加有关。多次重复使表面更加光滑，这与[10]中的发现一致。较低的声能表明材料烧蚀较少，直接对应于较低的表面粗糙度。

3.2 增加偏移量
第二组实验的结果总结在图4中。左上角的图表显示了整个过程中的检测到的归一化声能。这里的较低水平（约0.4）可以认为是激光微加工站内的环境噪声。较高的值表示材料的烧蚀。图4：左上角：整个过程中的归一化声能；右上角：随着偏移量增加的烧蚀速率；左下角：随着偏移量增加的材料表面能量密度；右下角：x轴和y轴方向的脉冲重叠值以及直接的脉冲间重叠。每个平台分别对应从左到右逐渐增加的偏移量。右上角的图表显示了每个偏移量的实际烧蚀速率。当偏移量从0.02毫米增加到0.1毫米时，烧蚀速率也从0.02毫米3/分钟增加到0.20毫米3/分钟。尽管图表显示烧蚀速率持续增加，但能量图显示最后两次烧蚀过程中的平均检测能量有所下降。这种行为可以通过分析材料表面的实际能量密度来解释，如左下角图表所示。随着偏移量的增加，能量密度最初增加，在偏移量达到0.07毫米时达到峰值，然后开始下降。这表明检测到的声能与材料表面的能量密度有关，而不是烧蚀速率。这一假设与[47]中的发现一致。研究表明，声学发射与聚焦超短激光脉冲的能量密度（即能量密度）之间存在明显关系。即使在偏移量超过0.07毫米后能量密度下降，烧蚀速率仍然继续上升。这可以通过分析右下角图表中显示的脉冲重叠值来解释。这里展示了三组不同的数据：x轴方向的重叠（OLx），表示由工件旋转引起的重叠；y轴方向的重叠（OLy），表示由激光移动的线速度引起的重叠；以及考虑了所有相对运动和失焦效应的实际脉冲间重叠（OL）。在观察到的偏移范围内，x轴方向的重叠从0.02毫米时的98.2%下降到0.1毫米时的97.1%，这是由于激光照射区域在曲面上的变化。此外，由于失焦效应，材料表面的激光照射区域也增加了。更高的偏移量导致激光在曲面上的入射角度变得更陡，从而降低了激光强度的反射率。所有这些因素都使得尽管能量密度下降，烧蚀速率仍然增加。更多细节见[10,11]。相比之下，y轴方向的重叠随着偏移量的增加而增加，从95.8%增加到96.9%，也是由于照射区域的变化。实际脉冲间重叠值在观察到的偏移范围内变化最大，从0.02毫米时的90.8%增加到0.1毫米时的93.3%。这就是即使在能量密度下降的情况下，烧蚀速率仍然持续增加的原因。

3.3 扩孔
第三组实验的结果总结在图5中。顶部图表显示了整个过程中的归一化声能。展示了两组数据：采样率为3.05 MHz（蓝色），每毫秒提供三个光谱测量值；以及1000毫秒内的平均值（红色）。同样，较低的水平（约0.4及以下）可以认为是激光微加工站内的环境噪声。较高的值表示飞秒激光脉冲对材料的烧蚀。图5：左上角：整个过程中的归一化声能；蓝色：能量考虑窗口的大小定义为1毫秒（3个光谱）；红色：能量考虑窗口的大小定义为1000毫秒（3051个光谱）。左下角：从顶部图表中提取的数据（I点），其值已归一化到各自的范围内；右下角：从顶部图表中提取的数据（II点），其值已归一化到各自的范围内。从左到右，每个检测到的声能平台对应于图2c中所示的扩孔过程的相应偏移量。偏移量从-0.05毫米（最左边）增加到0.06毫米（最右边）时，检测到的声能增加。这可以归因于两个因素。首先，偏移值的增加导致材料表面的能量密度增加，这在第二组实验中得到了观察。其次，偏移值的增加还导致在一个钻孔旋转周期内有更多的脉冲击中材料，从而产生更长的高测量值时期，并逐渐增加检测到的声能。两个底部的图表也展示了声能，但时间范围仅为35毫秒。请注意，两个图表中显示的声能都已归一化到该时间范围内的值。左边的图表显示了从第一个偏移值-0.05毫米开始的数据，该值在顶部图表中标记为（I）。右边的图表显示了从第十个偏移值0.04毫米开始的数据，该值在顶部图表中标记为（II）。因此，左边的图表显示的是激光钻孔运动几乎不接触材料时的检测声信号，导致单个测量峰值和多个测量坑。而右边的图表显示的是激光钻孔运动大部分时间都接触材料时的情况，导致多个测量峰值和单个测量坑。

4. 讨论
在本文中，介绍了在超短激光脉冲激光切割过程中使用高灵敏度、宽带宽和采样率的光学麦克风。实验的目的是评估这种设备作为过程监控工具的可用性，以及潜在的实时自动化调节能力。虽然一般的声发射可以归因于超短脉冲激光烧蚀过程及其相关机制，如相位爆炸和材料去除过程中的反冲效应，以及等离子体膨胀[45]，但本文的特定目标是展示和评估基于光纤的光学麦克风在检测超声波频率范围内的声发射，以监控激光切割过程的应用。
第一组实验清楚地证明了利用飞秒激光烧蚀产生的声能来检测材料去除状态的能力。这一特性使得可以通过将光学麦克风检测到的信号纳入加工过程和过程控制中，从而实现过程的自动化调节。关于图3中的能量图，在5次重复实验中，两次连续实验之间的能量差值可以作为一个阈值，用于确定最终加工步骤。此外，这种特定程序中检测到的声能水平似乎与最终的表面粗糙度Sa相关，也可以作为质量指标。
第二组实验中，随着偏移值的增加，检测到的声能与材料表面的激光能量密度相关，而不是实际的烧蚀速率。由于在曲面上激光光斑的畸变，当偏移值非常小时能量密度会迅速下降[11]，这些发现证实了第一组实验的结果。由工件几何条件引起的声能下降可能表明了加工过程的极限。为了作为过程自动化调节的指示器，检测到的声信号需要与过程中的当前偏移值同步。在这种情况下，建立一个用于比较的数据库将是一个有前景的方法。
第三组实验表明，对于具有钻孔光学系统的过程，激光击中材料的时间可以与未击中材料的时间明显区分开来。这种性能使得能够检测到过程的当前偏移值。所选的钻孔直径，结合钻孔速度以及击中和不击中材料的时间，可以计算出钻孔中心的确切位置，从而得到当前的偏移值，前提是偏移值不超过钻孔半径。除了声能水平之外，这还可以作为额外的测量手段，以确定过程的状态，进而确定工件的当前直径。
尽管激光微加工系统内部由于加工气体和排气而存在噪声环境，光学麦克风仍能可靠地检测到单个激光脉冲的声发射。由于在激光切割过程中工件直径不断减小，加工条件（特别是表面能量密度）也在不断变化。尽管如此，光学麦克风仍然不间断地记录了每个单独激光脉冲烧蚀产生的声发射。这些特性使得该系统适用于实时过程监控，从而实现了自动化过程控制的可能性。

5. 结论
本文证明了光学麦克风作为超短激光脉冲激光切割过程中过程监控设备的可用性。多项实验，重点关注不同的加工策略，表明不仅可以确定材料烧蚀本身，还可以确定过程的当前状态。这不仅使光学麦克风适合作为过程监控设备，而且也适合作为建立实时自动化过程调节的手段。