本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种自聚焦激光加工装置。
背景技术：
激光加工是微加工领域中的一项重要技术，它具有高速精确切削材料的能力和无刀具磨损的优点，现已应用于不同的领域，作为非常有效的一种精细加工方法。
在激光加工过程中，激光焦点处光斑的大小是影响加工质量的重要参数。在传统的激光加工中，激光通过聚焦透镜汇聚形成焦点，在焦点附近加工工件。激光焦点光斑越小，就能够获得越精密的加工零件。
一般激光加工开始时，激光聚焦于工件表面。但随着激光从工件表面向纵深进行刻蚀，激光在工件上的烧蚀点下移，激光聚焦点仍是处于工件表面，即激光烧蚀处因不在激光聚焦位置故加工点的光斑增大，导致了刻蚀精度的降低。另外工作台的运行等引起的振动也会影响激光聚焦的准确。
自聚焦(self-focusing)是高光强的光脉冲在透明的非线性介质中传播时导致的非线性自聚焦效应。其物理机制是在光轴上的光强较强，距离光轴越远的地方光强越弱，导致光束中间的折射率较高，光束边缘的折射率较低。这种折射率分布就像一个聚焦透镜一样，可以产生聚焦效应。
已出现将自聚焦应用于激光加工设备设计方案。如申请号为200910154783.8的中国发明专利申请“一种自聚焦激光焊接装置”，该装置不需要传统的聚焦透镜或透镜组，而是利用强激光在高非线性介质中的自聚焦效应，实现激光的聚焦，用于激光焊接。
但仅依靠自聚焦效应实现激光加工所需要的激光束聚焦，难度较大，也难以达到最终聚焦的要求。因而目前尚未见到采用自聚焦介质的激光加工设备在市场中出现。
技术实现要素：
本发明的目的是设计一种自聚焦激光加工装置，在现有的激光加工系统的光路上增加盛放有非线性介质的容器，透镜聚焦之后的激光束进入容器内的非线性介质，产生自聚焦，激光束沿着轴线动态聚焦，激光束焦点的光斑进一步缩小，且激光束传递近似于直线，提高激光加工的精度和效率，其加工效果相当于准直激光加工。
本发明设计的一种自聚焦激光加工装置包括激光器、透镜和工作台，工件固定于工作台表面，激光器的激光束经透镜聚焦,本装置夹持机构在透镜和工作台之间固定一个容器，其内盛放非线性介质。激光束经透镜聚焦于非线性介质的表面，经透镜聚焦后的光束进入非线性介质，光在该非线性介质中传递，产生自聚焦，经透镜和非线性介质的两次聚焦，离开容器的激光束直径将极小，直线传播到达工件表面。
所述非线性介质为丙醇、甲醇、二硫化碳、苯等中的任一种。
所述容器内非线性介质的深度，即所述非线性介质的自聚焦距离L与激光束的能量及所采用的非线性介质的折射率有关，自聚焦距离公式如下：
L＝(d/2)[n0/(2n2I0)]1/2
式中，d为激光束的直径，即为透镜聚焦后进入非线性介质时的激光束直径；n0为所用非线性介质的线性折射系数；n2为所用非线性介质的非线性折射系数，I0为激光束的峰值功率密度。
虽然自聚焦后激光束传递近似于直线，但激光束在空气中的传递还是会有发散，因此，激光束离开非线性介质至到达工件表面的距离小于4mm，即容器的内底面与工件表面距离小于4mm。
所述激光束、透镜和容器的中心线处于同一铅垂线。
所述容器为透明玻璃管，其底面厚度为0.5mm～2mm，以减少激光在玻璃中传递的能量损失。
所述容器的内径为8mm～12mm，以便于调节与激光束中心线相配合，不妨碍激光束的传递。
本装置还配有水射流辅助装置，包括水池、泵和射流喷嘴，射流喷嘴产生的水射流束喷射在工件表面形成水层。所述水射流在工件表面的喷射点中心和激光束在工件表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在工件表面聚焦光斑半径的1～2.5倍，最佳方案为工件表面激光聚焦点和射流喷射点中心重合。在工件表面水射流的冲击带走激光去除的残渣和热量。
与现有技术相比，本发明一种自聚焦激光加工装置的优点为：1、透镜聚焦与自聚焦相结合，透镜聚焦后的激光束在非线性介质中的传递产生自聚焦，实现二次聚焦，进一步减少激光束的直径，可为透镜聚焦后激光束直径的一半，提高激光束的能量密度，提高加工质量和效率；2、自聚焦后的激光准直传递，发散角小，当激光从工件表面向纵深进行刻蚀时，虽然烧蚀点下移，激光束直径增大极少，改善激光打孔的锥角问题，故可缩小加工的孔径，减小加工的槽宽，且增加加工的深度，保证刻蚀精度效率；3、水射流配合减少激光加工区的重铸层和热影响。避免残余应力和微裂纹的产生，及时排除熔渣，提高加工质量和效率。
附图说明
图1本自聚焦激光加工装置实施例结构示意图。
图中标号为：
1、透镜，2、容器，3、夹持机构，4、水射流辅助装置。
具体实施方式
本自聚焦激光加工装置实施例如图1所示，包括激光器、透镜1、盛放非线性介质的容器2、水射流辅助装置4和工作台。工件固定于工作台表面，激光器的激光束经反射镜反射改变方向后，经透镜1聚焦于工件表面。夹持机构3将容器2固定在在透镜1和工作台之间，激光束、透镜1和容器2的中心线处于同一铅垂线。本例容器2盛放液体二硫化碳。
本例激光的波长为1024nm，脉冲能量强度为400mJ，重复率为10HZ，脉宽为15ns,平行激光束的直径D＝4mm，透镜1聚焦点于液体的表面，焦点处激光束的直径d＝1.45mm；二硫化碳的线性折射系数n0＝9.0×106esu；二硫化碳的非线性折射系数n2＝96×10-12esu，I0为脉冲的峰值功率密度，等于脉冲能量强度除以脉冲的脉宽再除以液体表面焦点处激光光斑半径。
I0＝400/(15×d/2)＝1.6152X1013W/㎡
本例自聚焦距离L的计算公式如下:
L＝(d/2)[n0/(2n2I0)]1/2＝40mm。
根据以上计算结果本例容器2为高度45mm、直径为5mm、底面厚度为1mm的透明石英玻璃管，其内二硫化碳的液体的高度为40mm，本例透镜1的焦距为24mm，透镜1聚焦于容器内液体表面，容器2内底面与工件表面距离小于3mm。
本装置的水射流辅助装置4，包括水池、泵和射流喷嘴，射流喷嘴产生的水射流束喷射在工件表面形成水层。所述水射流的喷射点中心和激光束在工件表面的聚焦点中心重合。
本实施例工件通，直径仅60μm，加工效果良好，重铸层和热影响区明显较少，并且加工孔的锥度仅3°～5°，比传统激光加工孔的锥度显著减小。
作为对比例，取下本装置中的容器2，透镜1将激光束聚焦于工件表面，加工相同的工件，对比例加工孔径约为130μm，锥度为12°～15°，加工效果明显不及使用本装置的加工效果。
可见本发明设计的装置对透镜聚焦后的激光束二次聚焦后，明显减少激光束光斑的直径，有利于加工小孔，提高精细加工的质量和效率。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。