一种基于定位耦合的水导激光装置

1.本实用新型涉及水导激光装置，具体涉及一种基于定位耦合的水导激光装置。


背景技术：

2.水导激光加工技术是基于全内反射原理，可以生成完全包含在水射流中的激光束，激光束在具有较低密度介质的空气
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水界面处反射(其原理类似于光纤)，激光束从喷嘴沿着微米级水束传播到工件表面，激光用于烧蚀工件；水可用于冷却切削区，并将激光烧蚀碎屑及时冲刷去除。与传统激光直接烧蚀去除相比，水导激光加工中产生的热累积和毛刺少，加工区表面更光滑，能获得高精度和直边的切削效果。水导激光加工技术在高精密且低损伤加工领域应用广泛，常用于3c、硬脆性材料、生物医疗、航空航天等领域。
3.然而，水导激光加工技术也存在一些技术难题：二色镜反射后的平行光束需经过聚焦透镜(通常为凸透镜)、空气、玻璃窗口、液层聚焦后到达喷嘴端面，水导激光加工中的水束直径很小，基本在25～100微米范围内，激光束聚焦后需要对准耦合器底部微小水束喷嘴出口中心，调焦耦合过程困难，耦合过程易烧坏价格较高的喷嘴；这一技术难题大大地限制了水导激光技术的推广和应用。
4.针对上述问题，本技术人发明人团队进行了研究，提出了公布号为cn109551103a的发明申请，其中涉及的水导激光加工装置包括光束传输耦合单元、工作台单元和高压供液单元，其中光束传输耦合单元包括激光头、旋转套筒、入水腔体、中间腔体和耦合块，所述旋转套筒、入水腔体、中间腔体和耦合块自上而下依次同轴相连，所述激光头的上部(螺纹段)同轴旋合于旋转套筒，激光头的下部同轴置于入水腔体和中间腔体内并对应于耦合块上开设的液层腔，激光头下部内的光束变换腔底部设有自聚焦透镜和球透镜或自聚焦透镜和球透镜熔合形成的自聚焦端球面透镜，所述球透镜或自聚焦端球面透镜通过液层腔与耦合块上同轴开设的喷口相对，所述喷口的喷嘴与液层腔连通。该发明利用激光头的上、下位移微调节液层腔水层厚度，提高水层的可操控性和可调节性；采用自聚焦透镜及球透镜的组合或自聚焦端球面透镜进行光束的变换传输聚焦，提高了光束传输聚焦质量及光束与水束光纤的耦合效率，降低了光束聚焦传输过程中光束在自由空间的光程，提高了光束的传输稳定性，降低了聚焦光束耦合水束光纤调节的难度。
5.本技术人发明人团队还提出了公布号为cn111408837a的发明申请，其中涉及的高功率激光束高效耦合水导激光结构，包括传能模块、传能固定模块、耦合液腔模块和喷嘴模块，其中传能模块的上端接入高功率传能光纤，下端设有对激光束进行传输的自聚焦透镜；传能固定模块包括与传能模块同轴安装的定中块，定中块同轴安装于连接体内，连接体底部设有同轴安装于定中块上的挡流块，挡流块与连接体之间设有密封圈；喷嘴模块包括设于传能固定模块下方的喷嘴座，喷嘴座上设有与传能模块下端同轴的喷嘴；其耦合液腔模块包括设于挡流块与喷嘴座之间的低压稳流液层，低压稳流液层从喷嘴喷出形成水射流；传能模块下端于定中块底部悬伸于低压稳流液层中或传能模块下端伸入并固定于喷嘴的喷孔内而将激光束耦合到水射流中形成水束光纤。该发明利用传能模块进行激光束的传输
聚焦，并与喷嘴形成的水束耦合而形成水束光纤，降低了水束
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光束耦合过程中的对准调节精度，降低了耦合难度，也提高了水导激光的加工精度及效率。
6.上述发明所述的水导激光装置的结构相对较为复杂，而且均涉及到自聚焦透镜，而自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜，其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜，与球透镜相比制备更为困难。


技术实现要素：

7.本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、能够最大限度减少从透镜到水束光纤距离的基于定位耦合的水导激光装置。
8.为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
9.一种基于定位耦合的水导激光装置，包括底座、聚焦透镜、喷嘴和定位模块，其中：
10.所述喷嘴同轴安装于底座上；
11.所述的聚焦透镜为球透镜或半球透镜；
12.所述定位模块包括定位圆盘和压盖，所述定位圆盘同轴安装于底座上，所述底座与定位圆盘之间形成耦合水腔，耦合水腔中的液体从喷嘴喷出形成水射流；所述聚焦透镜同轴安装于定位圆盘内且聚焦透镜的底部悬伸于耦合水腔中，在聚焦透镜与定位圆盘之间设有第一密封圈；所述压盖设置于定位圆盘上并部分与聚焦透镜接触，将聚焦透镜压紧于定位圆盘上，所述压盖和定位圆盘通过紧固件连接，在压盖与定位圆盘之间设有第二密封圈；
13.平行激光束入射至聚焦透镜，经聚焦透镜、耦合水腔后耦合到水射流中形成水束光纤。
14.本技术中，选用的聚焦透镜数值孔径大且对准简单，耦合效率高(以球透镜为例耦合效率通常大于90％)，因此信号质量高；另一方面选用的聚焦透镜后焦距短，从而能够最大限度地减少从透镜到水束光纤之间的距离，以球透镜为例：
15.球透镜的后焦距其中bfl为后焦距即球透镜顶端到光束聚焦点的距离，n为球透镜的折射率，d为球透镜的直径，本技术中需保证选用的聚焦透镜的数值孔径小于或等于水束光纤的数值孔径，以耦合所有激光束。
16.为避免压盖损坏聚焦透镜，优选是在压盖与聚焦透镜的接触面上设置柔性垫圈，增加结构的稳定性。
17.所述定位圆盘采用可拆卸连接的方式安装于底座上，优选是通过螺纹连接的方式安装于底座上，可通过旋转底座对水层厚度进行微调。
18.本技术中，所述压盖和定位圆盘通常是采用固定螺栓连接。
19.与现有技术相比，本实用新型的特点在于：
20.1.本实用新型采用球透镜或半球透镜为聚焦透镜，采用直接在耦合水腔中加聚焦透镜的方式实现定位耦合，此时聚焦透镜将二色镜反射后的平行光束直接聚焦在喷嘴入口平面，从而解决目前水导激光调焦耦合困难问题，同时实现简化光路系统并缩小光腔尺寸的目的。
21.2.通过聚焦透镜将入射的平行激光束聚焦到喷嘴处与水束进行定位耦合，充分利
用球透镜和半球透镜后焦距短的特点，简化光路系统(现有技术中，二色镜反射后的平行光激光束在经过聚焦透镜(通常为凸透镜)还需一层玻璃窗口(通常选蓝宝石玻璃作为透光、密封和承压窗口))，获得高的耦合效率；同时使激光束在水束中进行全反射，形成水束光纤。
附图说明
22.图1为本实用新型一种实施方式的结构示意图。
23.图2为本实用新型另一种实施方式的结构示意图。
24.图3为本实用新型再一种实施方式的结构示意图。
25.图中标号为：
26.1聚焦透镜，2压盖，3固定螺栓，4定位圆盘，5底座，6进水口，7喷嘴，8水束光纤，9聚焦光束，10第一密封圈，11耦合水腔，12第二密封圈，13柔性垫圈，14平行激光束。
具体实施方式
27.下面结合附图对本实用新型作进一步的详述，以更好地理解本实用新型的内容。
28.本实用新型所述的基于定位耦合的水导激光装置，包括底座5、聚焦透镜1、喷嘴7和定位模块，其中：
29.所述喷嘴7同轴安装于底座5上；
30.所述的聚焦透镜1可以是球透镜或半球透镜；
31.所述定位模块包括定位圆盘4和压盖2，所述定位圆盘4同轴安装于底座5上，所述底座5与定位圆盘4之间形成耦合水腔11，耦合水腔11中的液体从喷嘴7喷出形成水射流；所述聚焦透镜1同轴安装于定位圆盘4内且聚焦透镜1的底部悬伸于耦合水腔11中，在聚焦透镜1与定位圆盘4之间设有第一密封圈10，以保证耦合水腔11的密封性；所述压盖2设置于定位圆盘4上并部分与聚焦透镜1接触，将聚焦透镜1压紧于定位圆盘4上，在压盖2与聚焦透镜1的接触面上设置柔性垫圈13；所述压盖2和定位圆盘4通过紧固件连接，在压盖2与定位圆盘4之间设有第二密封圈12；
32.平行激光束14入射至聚焦透镜1，经聚焦透镜1、耦合水腔11后耦合到水射流中形成水束光纤8。
33.本技术中，所述聚焦透镜1、定位圆盘4、喷嘴7和底座5必须保持同轴。所述喷嘴7可选用工具钢、红宝石、不锈钢或金刚石等材料制作；对于压盖2和定位圆盘4及底座5则优选采用不锈钢材料制作；对于聚焦透镜1，通常选用k9材质、石英材质、蓝宝石材质或高折射率(2.0)材质，本技术中优选承压能力较好的蓝宝石材质；本技术中选用的聚焦透镜1的数值孔径应小于或等于水束光纤8的数值孔径，以耦合所有激光束。
34.当聚焦透镜1的选择分别为球透镜、正置半球透镜和反置半球透镜时，对应的结构示意图分别如图1、图2和图3所示。
35.本技术中，定位圆盘4采用可拆卸连接的方式安装于底座5上，在图1～3所示的实施方式中，均是采用螺纹连接的方式同轴安装于底座5上，通过旋转底座5以实现对水层厚度进行微调；压盖2和定位圆盘4通过固定螺栓3连接。
36.本技术中，所述底座5上开设有供水流进入耦合水腔11的进水口6，在图1～3的实
施方式中，进入耦合水腔11的进水口6有2个，分别位于底座5的两侧，低速高压的水流从进水口6流入耦合水腔11，再经由喷嘴7形成低压高速的水射流。
37.本技术中，平行激光束14是由激光器产生的激光束经现有常规扩束准直系统(由平凹和平凸组成)，再经反射镜转换而成，其直接入射至聚焦透镜1上。
38.本技术中，激光束的波长可选择532nm或1064nm，可选用准连续或脉冲激光，当采用脉冲激光时，脉宽为5ns～50ns，功率20w～1000w，频率范围为20khz～200khz；耦合水腔11中的水层厚度优选为0.5mm～5mm；聚焦透镜1的直径优选为2mm～20mm。
39.使用本实用新型所述装置的具体实施方法为：将供液装置提供的水流由进水口6流入耦合水腔11，再经喷嘴7射出形成水射流(水束)；水射流稳定后，打开激光器，使平行激光束14直接入射至聚焦透镜1上，经聚焦透镜1聚焦，聚焦后的激光束经过水层在喷嘴7处耦合进水射流中形成水束光纤8，聚焦光束9在水射流中进行全反射，最终实现对工件的复合加工。