基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统及加工方法

摘要

本发明公开了一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统及加工方法，其利用LabVIEW编程环境调用PMAC运动控制卡的DLL动态库来驱动采用以太网方式与计算机相连的PMAC控制卡，间接实现对高精度三维移动平台单元的精密控制，并在软件界面显示；同时采用USB通信将高清CCD相机监测飞秒激光加工的样品状态和加工过程数据传输至控制软件并实时显示，并且实时采集飞秒激光功率参数和控制飞秒激光光束通断，利用LabVIEW开发多线程控制程序，将不同通讯方式的多控制器软件集于一体开发。系统具有调节精度高、速度快、调节简单、控制难度低、界面功能多样化的优点，可实现多种微纳结构的制造工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工系统及加工方法，尤其涉及一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统及加工方法。

背景技术

自20世纪末开始，飞秒激光技术得到了突飞猛进的发展，主要表现为激光脉冲持续时间的压缩和峰值功率的提升。当飞秒激光与物质相互作用时，可突破衍射极限实现高精度微纳结构的制备。这些微纳结构在材料光学吸收率提升、输水性能优化、微机械结构与零件的应用等方面具有巨大的价值。然而，对飞秒激光微纳加工系统来说，加工数据信息的实时体现，需要一套灵活、高效且兼容性强的系统控制程序。因此，如何实现飞秒激光束、各类元器件、三维移动平台等三者间的有效协同配合，如何在系统中实现激光束状态的实时监控和精密定位，是决定飞秒激光加工过程能否顺利完成的关键，更是决定飞秒激光加工技术能否实现有效应用的前提。

当前飞秒激光微纳加工系统的定位技术可分为以下三种：1）利用数字扫描振镜和显微物镜头进行二维平面上的高精度定位，配合一维压电平台即可实现激光加工的三维操作；2）利用三维压电平台进行三维方向高精度定位；3）利用直线电机驱动气浮平台的方式进行三维方向的高精度定位。

通常来说，基于这三种定位技术的飞秒激光微纳加工系统具有相似的结构，主要包括八个部分：飞秒激光器、光路开关、光束衰减器件、全反射镜、显微成像单元（包括显微物镜头、CCD相机、辅助照明等）、三维移动平台和控制软件（包括计算机、控制软件）等。其中，飞秒激光器是用于加工的激光光源；光路开光用于控制加工过程中光束的通断；光束衰减器件用于调节激光功率；全反射镜用于调控光束的指向；显微成像单元用于激光光束聚焦及实时监控激光加工过程；三维移动平台用于实现样品的精密定位；控制软件用于加工参数的设定和控制。

目前，最为常用的飞秒激光微纳加工系统的工作流程可归纳为以下过程：1）启动飞秒激光微纳加工平台；2）将样品放置在飞秒激光微纳加工平台的载物台上；3）手动调节三维移动平台进行对焦，将样品移动至CCD相机监测区域，通过人眼观察CCD相机显示的图片清晰度，根据观察结果完成样品的对焦；4）设置加工参数，如激光功率、焦斑大小、加工速度、加工模式等，其中，激光功率的调节是将衰减器件和激光功率探头放置在光路中，调节衰减器同时观察激光功率计测量值，调节至所需功率值停止，完成后将激光功率探头移开；焦斑大小的选择与显微镜镜头放大倍数相关；加工速度和加工模式的设置是通过控制程序设置；5）软件控制程序根据设置的参数执行加工。

综上所述，分析可以得知，现有飞秒激光加工系统存在以下不足：

1）加工系统集成化程度不高。在当前大多数飞秒激光加工系统中，三维移动平台的控制界面和CCD的实时监控界面分别基于不同计算机语言开发，因而在加工过程中需同时在同一台计算机上开启两个软件界面，实验操作过程比较繁琐耗时，在一定程度上影响加工效率。

2）加工系统没有统一的样品对焦状态判断标准。在对焦过程中，样品对焦清晰度是通过人眼观察CCD相机显示的照片清晰度来判断，由于人眼误差和亮度的影响，对焦的清晰度判断标准存在不统一和误差。

3）加工系统没有激光功率的实时监控模块。在大面积样品的加工过程中，如需调整或监控激光功率，需将功率计探头放入光路中，这导致加工过程的不连续性。同时，每次功率探头的光敏元件接触的光束位置不统一，测量结果存在误差，这会导致样品加工后微纳结构的均匀性不能得到有效保证。

4）加工系统没有光路指向的实时监控模块。飞秒激光微纳加工平台采用很多的光学器件进行光路指向调节，在使用中难免会因为松动致使其光路指向发生偏移，这会影响聚焦后的光斑状态，直接影响激光作用在单位面积样品上的功率密度，进而影响样品表面的微结构形貌。

经检索，目前国内尚没有基于LabVIEW软件开发的集成化飞秒激光微纳加工系统的相关专利，其主要原因在于：飞秒激光微纳加工平台外围部件多，难以将不同型号和不同通信协议的外围部件通过计算机同步控制、计算机多通信接口的控制存在资源竞争问题、多线程并行运行机制应用等技术难度大，另外，精密的高端设备伴随复杂的操作和调试过程，所需时间较长，因此我们发明一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，应用LabVIEW软件开发飞秒激光微纳加工系统的控制程序，将三维移动平台和CCD实时监控集成在同一控制界面，增加了激光功率和光束指向性的实时监控功能，能有效保证系统的可靠性和稳定性；同时，该系统具有调节精度高、速度快、调节方式简单、控制难度低、界面功能多样化等优点的基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统，包括飞秒激光器、光路调节单元、显微成像单元、三维移动平台、计算机；

所述光路调节系统包括第一、第二、第三、第四、第五、第六反射镜，其中第一、第三、第四反射镜为银膜反射镜，其余为介质膜反射镜，第一反射镜和第二反射镜的光路间设有可调衰减器；

所述三维移动平台上表面设有放置样品的载物台；

所述显微成像单元包括竖直设置的显微物镜头和位于显微物镜头正上方的CCD相机，载物台位于显微镜物镜头正下方，CCD相机采集显微镜物镜头对载物台上样品进行成像的像，并将采集的图像传送给计算机，由计算机显示；

所述飞秒激光器产生飞秒激光光源，依次经光路调节系统中的第一至第六反射镜后，再经显微物镜头聚焦，并作用在载物台的样品上，对样品进行功能结构构造；

所述计算机内置基于LabVIEW编程环境开发的计算机控制平台，所述显微物镜头包括多个不同倍数的镜头，且能通过旋转镜头进行切换；所述CCD相机和显微物镜头通过固定架一体固定连接，且CCD相机通过USB线缆与计算机通信；

还包括激光功率采集与控制单元，所述激光功率采集与控制单元包括激光功率采集部件和激光光束通断控制部件；

所述激光功率采集部件包括激光功率探头和功率计，所述功率计的一端通过线缆与激光功率探头连接，另一端通过USB线缆与计算机相连，其中，激光功率探头位于第二反射镜后方入射激光束的延长线方向上；

将激光光束从第二反射镜透过的光束功率进行采样，并将采样的数据传送给功率计，功率计再将数据量化后传送至计算机，计算机根据激光束透过第二反射镜的比例系数计算出激光光束总功率，由计算机显示；

所述激光光束通断控制部件包括电子快门和快门驱动器，所述快门驱动器一端通过线缆与电子快门连接，另一端通过USB-RS232线缆与计算机的USB端口相连，所述电子快门位于第二反射镜和第三反射镜间的光路中，所述计算机通过对快门的开关控制，实现对飞秒激光微纳加工过程中光束的通断控制；

所述三维移动平台为高精度三维移动平台单元，包括能沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动的三维直线电机气浮移动平台，驱动三维的直线电机气浮移动平台运动的PMAC运动控制卡，所述PMAC运动控制卡与三维直线电机气浮移动平台通过线缆连接，并通过太网通信方式与计算机通信，由计算机调用PMAC运动控制卡的DLL动态库来驱动PMAC运动控制卡，使其控制三维直线电机气浮移动平台沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动。

所述功能结构构造指：用激光在样品表面加工一些特殊的结构，使其表面具有特殊的功能，如超疏水性物质（荷叶具有极难被水沾湿的表面，水在荷叶上就是小颗粒状）、疏油性等等。

作为优选：所述显微成像单元还包括一外置光源，所述外置光源位于第五反射镜出射激光束的反向延长线上，外置光源光透过第五反射镜，经第六反射镜、显微物镜头照射在样品表面，对样品表面照明，且外置光源亮度能手动调节。

作为优选：显微物镜头包括5个不同倍数的镜头，分别为5倍、10倍、20倍、50倍和100倍。

作为优选：所述计算机控制平台包括

线程1：包括任务11-13；

任务11：PMAC运动控制卡控制；

任务12：加工轨迹显示：具体为，计算机通过PMAC运动卡实时读取三维移动平台的当前移动位置，并通过三维坐标在计算机屏幕显示，形成实时显示的加工的轨迹图；

任务13：加工模式；

线程2：包括任务21-23；

任务21：CCD相机图像采集；

任务22：CCD相机与样品实现自动对焦：通过显微物镜头对载物台上样品进行成像到CCD相机界面，CCD相机将成像后的图像信息发送至计算机，计算机结合图像清晰度评价函数，判断图像清晰度，根据图像清晰度发送命令给PMAC运动控制卡，调用任务11控制三维直线电机气浮移动平台沿Z轴运动，改变样品与显微物镜头的工作距离，且当样品成像图像清晰时，停止移动；

任务23：视觉测量和实时标尺显示：所述视觉测量

具体为，预先将CCD相机和显微物镜头标定，计算机根据标定实际尺寸与成像像素计算比例关系，在载物台放置待测样品，并将样品在计算机CCD软件界面清晰成像，根据样品成像像素与比例关系，计算机计算出待测样品观测区大小；所述实时标尺显示是在视觉测量功能上，增加的静态图像标尺显示，主要是方便用户大概估计加工的尺寸大小，具体为：根据显微物镜头不同放大倍数的镜头变化，切换对应的刻度标尺；

线程3：包括任务31、32；

任务31：快门控制：具体为，计算机控制快门的开关从而控制光路的通断；

任务32：激光功率采集。

一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统的加工方法，包括以下步骤：

（1）建立基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统，启动飞秒激光器、三维移动平台、计算机，启动各任务；

（2）初始化设备，平台自动回零校正机械零点；

（3）放置加工样品至载物台；

（4）手动调节三维移动平台至照明光线投射于样品表面；

（5）对焦，并检查对焦结果；

（6）设置加工样品的相对零点位置；

（7），预设加工路径或调用已设计的加工样图，并设置加工参数；计算加工样品所需时间，并保存本次加工的实验参数；

（8）加工。

作为优选：所述步骤（8）还包括，加工过程中，进行加工轨迹显示、激光功率实时显示和CCD相机图像显示。

作为优选：还包括步骤（9），采用视觉测量功能预检测加工效果，并保存测试结果。

作为优选：步骤（7）中，所述加工参数包括激光参数、加工速度、加工模式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）集成化程度高。本发明通过LabVIEW软件实现三维移动平台控制界面和CCD图像采集界面的有效集成，在同一个计算机控制界面上实现两种功能。采用LabVIEW软件平台开发控制程序，利用LabVIEW的自动多线程运行的优势，开发了多个线程，更有效的CPU利用率，更好的系统可靠性，改善多处理器计算机的性能；用户编程只需考虑单个任务编程，缩短了程序开发周期，平且在对外部件的控制中更加灵活，部件更新后，只需修改对应线程程序即可完成设计。

2）加工系统具有统一的样品对焦状态判断标准。本发明将CCD相机、显微物镜头及三维直线电机气浮移动平台结合，利用基于图像处理的对焦技术，实现样品的自动对焦，可实现不同倍数显微镜下的快速自动对焦，避免由于人眼观察而造成的误差，且本发明中，为便于自动对焦，CCD相机、显微物镜头间距不变，而是通过软件控制载物台运动，改变载物台与显微物镜头的距离实现。

3）加工系统具有激光功率的实时监控模块。在大面积样品的加工过程中，如需监控或调节激光功率，只需在第二反射镜后的固定位置处放置功率计探头即可监控激光功率；如果激光功率出现异常，只需调节可变衰减器即可。

4）加工系统设有光路指向的实时监控模块。在加工过程中，只需在第二反射镜后的固定位置处放置一个十字叉丝，根据激光束在叉丝上的位置变化，即可判断光路指向是否发生偏移。

5）具有稳定性高、长时间连续运行、环境适应性与耐久性能高等特点。本发明分别赋予线程的优先级，以便它们独立工作，在多线程应用中，多项任务可以与该系统执行的其他应用并行执行；当同步调用在一个线程中运行时，程序中不依赖于该调用的其它部分可以在其它线程中运行。该程序的执行可以持续地推进，而不是停滞直到完成同步调用。因此，多线程应用实现了CPU使用效率的最大化，因为当该应用的所有线程都可以同时运行时，CPU不会处于空闲状态。

6）扩展性高。本发明应用LabVIEW软件开发平台调用DLL动态库驱动PMAC运动控制卡实现对三维直线电机气浮移动平台的控制，可方便增加气浮移动平台控制维数，具有良好的扩展性。

7）同步能力强。本发明根据直线电机运动速度计算加工固定长度位移所需时间，据此调整电子快门的延迟开关时间，进而控制飞秒激光光束通断时间，从而提高激光光束与平台的加工同步时间精度。

8）实现成本低、可靠性高。本发明通过普通计算机、USB协议、以太网通信和USB-RS232等通信方式，实现飞秒激光微纳加工系统的外围器件的通信及控制，技术比较成熟，并且配件成本低，可靠性较高。

9）实用性强。本发明开发了通用加工模式，如：直线加工、二维点阵加工、圆加工、圆弧加工、二维图案加工等，增加用户自主编程模式，可供研究飞秒激光构造功能微纳结构的实验科研人员，根据设计思路来编程制作特殊微纳结构的制造。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明系统硬件结构框图；

图3为本发明控制软件功能图；

图4为本发明加工实时位置三维坐标显示图；

图5为本发明线程1流程图；

图6为本发明线程2流程图；

图7为本发明线程3流程图；

图8为本发明加工方法流程图。

图中：1、飞秒激光器；2、第一反射镜；3、飞秒激光光束；4、可调衰减器；5、第二反射镜；6、激光功率探头；7、电子快门；8、第三反射镜；9、第四反射镜；10、第五反射镜；11、外置光源；12、氙灯光束；13、第六反射镜；14、CCD相机；15、显微物镜头；16、样品；17、三维移动平台。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1-图8，一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统，包括产生飞秒激光光束3的飞秒激光器1、光路调节单元、显微成像单元、三维移动平台17、计算机；

所述光路调节系统包括第一反射镜2、第二反射镜5、第三反射镜8、第四反射镜9、第五反射镜10、第六反射镜13，其中第一反射镜2、第三反射镜8、第四反射镜9为银膜反射镜，其余为介质膜反射镜，第一反射镜2和第二反射镜5的光路间设有可调衰减器4；

所述三维移动平台17上表面设有放置样品16的载物台；

所述显微成像单元包括竖直设置的显微物镜头15和位于显微物镜头15正上方的CCD相机14，载物台位于显微镜物镜头正下方，CCD相机14采集显微镜物镜头对载物台上样品16进行成像的像，并将采集的图像传送给计算机，由计算机显示；

所述飞秒激光器1产生飞秒激光光源，依次经光路调节系统中的第一至第六反射镜13后，再经显微物镜头15聚焦，并作用在载物台的样品16上，对样品16进行功能结构构造；

其特征在于：所述计算机内置基于LabVIEW编程环境开发的计算机控制平台，所述显微物镜头15包括多个不同倍数的镜头，且能通过旋转镜头进行切换；所述CCD相机14和显微物镜头15通过固定架一体固定连接，且CCD相机14通过USB线缆与计算机通信；

还包括激光功率采集与控制单元，所述激光功率采集与控制单元包括激光功率采集部件和激光光束通断控制部件；

所述激光功率采集部件包括激光功率探头6和功率计，所述功率计的一端通过线缆与激光功率探头6连接，另一端通过USB线缆与计算机相连，其中，激光功率探头6位于第二反射镜5后方入射激光束的延长线方向上；

将激光光束从第二反射镜5透过的光束功率进行采样，并将采样的数据传送给功率计，功率计再将数据量化后传送至计算机，计算机根据激光束透过第二反射镜5的比例系数计算出激光光束总功率，由计算机显示；

所述激光光束通断控制部件包括电子快门7和快门驱动器，所述快门驱动器一端通过线缆与电子快门7连接，另一端通过USB-RS232线缆与计算机的USB端口相连，所述电子快门7位于第二反射镜5和第三反射镜8间的光路中，所述计算机通过对快门的开关控制，实现对飞秒激光微纳加工过程中光束的通断控制；

所述三维移动平台17为高精度三维移动平台17单元，包括能沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动的三维直线电机气浮移动平台，驱动三维的直线电机气浮移动平台运动的PMAC运动控制卡，所述PMAC运动控制卡与三维直线电机气浮移动平台通过线缆连接，并通过太网通信方式与计算机通信，由计算机调用PMAC运动控制卡的DLL动态库来驱动PMAC运动控制卡，使其控制三维直线电机气浮移动平台沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动。

本实施例中：所述显微成像单元还包括一外置光源11，所述外置光源11位于第五反射镜10出射激光束的反向延长线上，外置光源11光透过第五反射镜10，经第六反射镜13、显微物镜头15照射在样品16上，对样品16表面照明，且光源亮度能手动调节；显微物镜头15包括5个不同倍数的镜头，分别为5倍、10倍、20倍、50倍和100倍。本实施例中，外置光源11为氙灯，并利用氙灯来产生氙灯光束12。

另外，为了便于描述计算机控制平台，我们将其划分为以下几个功能模块，也就是以下任务1-8，并分别位于三个独立的线程中。

线程1：包含任务11-13；

任务11：PMAC运动控制卡控制；具体为，PMAC运动控制卡与三维直线电机气浮移动平台通过线缆连接，并通过太网通信方式与计算机通信，由计算机调用PMAC运动控制卡的DLL动态库来驱动PMAC运动控制卡，使其控制三维直线电机气浮移动平台沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动；

任务12：加工轨迹显示：具体为，计算机通过PMAC运动控制卡实时读取三维移动平台17的当前移动位置，并通过三维坐标在计算机屏幕显示，形成实时显示的加工的轨迹图；

任务13：加工模式；模式主要为直线加工、圆加工、圆弧加工、打孔、二维点阵加工、二维图案加工，增加了用户自主编程，可供研究飞秒激光构造功能微纳结构的实验科研人员，根据设计思路来编程制作特殊微纳结构的制造，将所有的设置参数预留给用户，可实现G代码输入；

线程1是将相关PMAC控制任务的执行放一个线程中，具体流程如下图5：线程1启动，首先初始化所有的相关任务PMAC任务的外部设备，并且检测设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次初始化进入，或者退出软件；其次进入下一步，启动PMAC运动控制卡，连接设备，并且检测设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次启动过程进入，或者退出软件；进入下一步，线程到此，所有的连接正常，启动正常，开始分配任务，分别为任务11、任务12、任务13，线程中任务进入循环扫描，执行任务，或等到用户关闭软件。

由于计算机软件控制程序任务量比较大，并且CCD相机14主要的工作就是监控加工过程，因此CCD相机14需要实时运行，所占用CPU时间长，如采用单线程多任务运行程序，其他任务不能得到及时的处理，所以将软件控制程序任务量比较大，并且CCD相机14主要的工作就是监控加工过程，因此CCD相机14需要实时运行，所占用CPU时间长，如采用单线程多任务运行程序，其他任务不能得到及时的处理，所以将相关CCD相机14图像采集控制任务的执行放一个线程中，形成线程2；

线程2：包含任务21-23；

任务21：CCD相机14图像采集；

任务22：CCD相机14与样品16实现自动对焦：通过显微物镜头15对载物台上样品16进行成像到CCD相机14界面，CCD相机14将成像后的图像信息发送至计算机，计算机结合图像清晰度评价函数，判断图像清晰度，根据图像清晰度发送命令给PMAC运动控制卡，调用任务11控制三维直线电机气浮移动平台沿Z轴运动，改变样品16与显微物镜头15的工作距离，且当样品16成像图像清晰时，停止移动；

任务23：视觉测量和实时标尺显示：所述视觉测量具体为，预先将CCD相机和显微物镜头标定，计算机根据标定实际尺寸与成像像素计算比例关系，在载物台放置待测样品，并将样品在计算机CCD软件界面清晰成像，根据样品成像像素与比例关系，计算机计算出待测样品观测区大小；所述实时标尺显示具体为：根据显微物镜头不同放大倍数的镜头变化，切换对应的刻度标尺；

线程2具体的流程如图6，线程2启动，首先开始初始化所有的相关任务CCD相机14采集任务的外部设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次初始化进入，或者退出软件；其次进入下一步，启动CCD相机14，连接设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次启动过程进入，或者退出软件；进入下一步，线程到此，所有的连接正常，启动正常，开始分配任务，分别为任务21、任务22、任务23，线程中任务进入循环扫描，执行任务，或等到用户关闭软件。

线程3包含任务31、32。

任务31：快门控制：具体为，计算机控制快门的开关从而控制光路的通断；

任务32：激光功率采集。

线程3是将相关实时性不强的任务放一个线程3中，具体的流程如图7，线程3启动，首先初始化所有外部设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次初始化进入，或者退出软件；其次进入下一步，启动电子快门7，连接设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次启动过程进入，或者退出软件；进入下一步，启动激光功率采集；再进入下一步，线程到此，所有的连接正常，启动正常，开始分配任务，分别为任务31和任务32，线程中任务进入循环扫描，执行任务，或等到用户关闭软件。

实施例2：一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统的加工方法，包括以下步骤：

（1）建立基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统，启动飞秒激光器1、三维移动平台17、计算机，启动各任务；

（2）初始化设备，平台自动回零校正机械零点；

（3）放置加工样品16至载物台；

（4）手动调节三维移动平台17至照明光线投射于样品16表面；

（5）对焦，并检查对焦结果；

（6）设置加工样品16的相对零点位置；

（7）预设加工路径或调用已设计的加工样图，并设置加工参数；计算加工样品16所需时间，并保存本次加工的实验参数；

（8）加工，加工过程中，进行加工轨迹显示、激光功率实时显示和CCD相机14图像显示；

（9）采用视觉测量功能预检测加工效果，并保存测试结果，主要包括：样品表面结构周期性测量、样品表面结构形貌预测、实时标尺显示、样品观测区大小等等。

这个流程为一个具体的加工方法，而在该方法中，需对应启各线程，总之，通过本发明，无论在加工平台的实验中的操作及平台的稳定性中都得到了很大的提升。