《基于偏振OCT的激光焊接匙孔深度测量方法》研究报告
一、研究团队与发表信息
本研究由 李召阳（上海理工大学光电信息与计算机工程学院）、李中梁（中国科学院上海光学精密机械研究所）、南楠（中国科学院上海光学精密机械研究所）等共同完成，发表于《中国激光》2023年10月第50卷第20期。研究得到国家自然科学基金（61971406, 81927801）及中国科学院青年创新促进会资助。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于 激光焊接质量监控 与 光学相干层析成像（OCT, Optical Coherence Tomography） 交叉领域。
研究背景：
激光焊接中，匙孔（keyhole）深度是评估焊缝结合强度和质量的关键参数。传统测量方法（如X射线、超声波）存在分辨率低（X射线为0.5 mm，超声波为0.1 mm）、依赖间接相关性等问题。尽管OCT技术能实现微米级分辨率测量，但金属匙孔内探测光的 多重反射噪声 会导致测量值偏离真实深度。
研究目标：
提出一种基于 偏振敏感OCT（PS-OCT, Polarization-Sensitive OCT） 的新方法，通过区分单次反射与多重反射信号，提高匙孔深度测量精度。
三、研究流程与方法
1. 理论研究与仿真验证
- 光学原理：
- 基于 菲涅耳反射定律，推导金属表面反射光的附加相位差（additional phase difference）。圆偏振光垂直入射匙孔底部时，单次反射光的附加相位差为0，而多重反射光因非垂直入射会产生非零相位差。
- 通过琼斯矩阵计算两正交偏振光分量（s波与p波）的相位差，筛选有效信号。
- 仿真模型：
- 采用 光线追迹法，将单条OCT光束离散为1000条子光线，模拟铜、铝两种材料的匙孔反射（参数见表1）。
- 对比传统OCT、80百分位滤波法及PS-OCT方法的误差：
- 传统OCT误差：铜16.8%、铝45.6%；
- 80百分位滤波误差：铜3.27%、铝6.42%；
- PS-OCT误差：铜1.05%、铝0.12%。
2. 实验系统搭建
- PS-OCT系统设计：
- 光源：超辐射发光二极管（SLD），中心波长840 nm，带宽50 nm。
- 光路：线偏振光经四分之一波片转为圆偏振光入射样品，反射光经偏振分束器分为两路正交信号，由光谱仪探测。
- 匙孔样品设计：
- 铝制锥形孔，上径3 mm、下径1 mm、高3 mm，粗糙度<3.2×10⁻⁶ m，模拟真实焊接匙孔（图6a）。
3. 实验与数据分析
- 普通OCT验证多重反射伪影：
- 图6b显示匙孔B-scan图像中存在多重反射信号（如“V”形结构及深度异常信号），证实传统方法的局限性。
- PS-OCT多角度扫描：
- M-scan成像（图7）：垂直和30°斜入射时，附加相位差图像可区分单次反射（相位差0）与多重反射信号。
- B-scan成像（图8）：扫描侧壁与底部边缘，筛选后误差仅为1.6%，显著优于百分位滤波法的23%。
四、主要研究结果
- 仿真结果：PS-OCT方法对铜、铝匙孔的深度测量误差分别降至1.05%和0.12%，验证其普适性与精度优势。
- 实验验证：
- 铝制匙孔样品的PS-OCT测量误差为1.6%，且能识别底部微小凸起（图8c），证实方法对复杂结构的适用性。
- 附加相位差图像（图7第三列）可清晰区分有效信号与噪声，为后续筛选提供可靠依据。
五、研究结论与价值
科学价值：
- 首次将PS-OCT应用于激光焊接监测，通过 偏振相位差筛选 解决了多重反射噪声问题，为匙孔深度测量提供了新思路。
- 提出 光线追迹仿真模型，为金属材料OCT测量提供理论支持。
应用价值：
- 可集成于工业焊接设备，实现高精度在线质量监控，避免因焊接深度不足导致的强度缺陷。
- 相较于X射线等方法，PS-OCT无需防护措施，更安全且成本更低。
六、研究亮点
- 创新方法：利用金属反射的偏振特性区分信号，突破了传统OCT的噪声限制。
- 跨学科融合：结合光学（菲涅耳反射）、材料科学（金属复折射率）与焊接工艺。
- 实验验证全面：从仿真到实物测试，涵盖铜、铝两种常用焊接材料。
七、其他价值
- 算法开源潜力：相位差筛选算法可适配其他OCT系统，扩展至生物医学等领域。
- 工业适配性：PS-OCT系统光路设计紧凑，易于与现有激光焊接设备集成。
（全文约2000字）