一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置

1.本实用新型涉及水导激光耦合技术领域，具体涉及一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置。


背景技术：

2.激光加工技术是利用高功率密度激光束与物质相互作用引起物态变化形成热物理效应实现材料去除。激光加工具有加工灵活性高、加工效率高、加工质量高以及易于实现自动化控制等优点，可以实现高硬度、高脆性以及高熔点的多种金属、非金属材料的加工。激光被广泛应用在微加工、军事、通讯等各个领域。
3.水导激光加工是将高能激光束耦合进入微水射流，并由水射流将激光引导至材料表面，从而对工件进行加工的技术。水导激光加工技术中水射流作为光纤使激光在水束内形成全反射实现在水射流内的传播。高速流动的水射流可对加工区域进行有效的冷却，对加工过程中的残余热量进行有效冷却，降低加工产生的热影响区；同时，在水射流的冲击下可将加工产生的残渣冲刷并远离加工区域，避免形成重铸层，有助于提高加工质量。
4.由于水导激光对水束的直径要求很小，这使得喷嘴直径十分小，导致水束-激光束耦合十分困难，往往因为耦合不成功而导致喷嘴被烧坏，增加成本。为了判断耦合是否成功，往往需要增加额外的ccd成像装置进行判断。现有的耦合装置的光学窗口多采用圆柱形透镜，不利于水束-激光耦合，且圆柱形透镜体积大，不利于减小耦合腔体的体积和重量。为了保证水束稳定需要薄水层一定的厚度，而传统光学窗口的圆柱形透镜下端和喷嘴中心上表面距离较远，增加了耦合难度。


技术实现要素：

5.本实用新型提出一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，可以提高水束-激光束的耦合效率，无需增加额外的耦合成像判断装置，密封性能好，并具有装置结构简单的优点。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案解决上述问题。
7.一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，包括从上至下依次为包括从上至下依次为光传输系统，水-光耦合系统和气液复合系统。
8.所述光传输系统由光纤、qbh光纤接头和自聚焦镜组成；所述光纤位于腔体中心，并用光纤保护层进行固定，定位；所述光纤作为外接激光的输入源；所述qbh光纤接头位于光纤和自聚焦镜中间，qbh光纤接头上端与光纤直接连接，下端与自聚焦镜直接粘接；qbh光纤接头具有低的传输损耗和高的承载功率，反射承受能力高，可用于避免自聚焦镜的平面端的反射面对光源的干扰；所述自聚焦镜上端与qbh光纤接头粘接，下端进行圆滑处理，使其由平面端转变为圆弧，可用于缩短自聚焦镜下端与喷嘴中心上表面的距离，提高耦合效率。
9.所述水-光耦合系统由光纤固定腔、自聚焦镜、喷嘴、喷嘴底座组成；所述光纤固定腔上表面开设两个对称注水口，注水口往下一定距离开设一环形水通道，光纤固定腔中间开设一通孔台阶，用于固定特种光纤；所述光纤固定腔可与喷嘴底座配合形成多级式溢流台阶，可消除水的脉动，有利于提高喷嘴中心喷射的水束的稳定性；所述自聚焦镜一端与光纤直接连接，一端可浸没在薄水层中，并与喷嘴中心保持同轴，且与喷嘴上表面的距离很近；所述自聚焦镜可将激光直接聚焦在喷嘴中心上表面及其以下，有利于提高水-光耦合效率；所述喷嘴中心孔进行圆滑处理，使其与自聚焦镜的下端能够相互配合，缩短自聚焦镜与喷嘴中心上表面的距离，同时可保证两者之间的薄水层厚度几乎不变，不影响水束的稳定性；所述喷嘴底座上端中心开设喷嘴固定槽，两侧为多级式溢流台阶，可与光纤固定腔通过螺纹的方式连接在一起，并采用o型密封圈进行密封。
10.所述气液复合系统由光纤固定腔、喷嘴底座和气流腔体组成；所述光纤固定腔两侧对称开设两个通气口，所述喷嘴底座两侧对称开设多个通孔且开设一环形通道，环形通道可与光纤固定腔中开设的两个通孔对接、连通；同时通孔可与气流腔体的盲孔前端的环形通道连通；所述气流腔体通过螺纹连接的方式与喷嘴底座连接在一起，气流腔体两侧开设多个均匀分布的盲孔（通孔数量至少为2个），所述盲孔与喷嘴底座接触处可沿着气流腔体圆周开设一环形通道，可连接喷嘴底座通孔与盲孔，使气体流场更加均匀；同时气流腔体中心开设一通孔，用于水束通过；所述中心通孔外围一定距离处开设一环形气流通道，该环形气流通道一侧与上述盲孔连接在一起，形成一个完成的气流通道，可在水束外围形成一环形水束，有利于排出加工区域形成的积水；所述环形气流通道上端开设多个均匀分布的微小孔，用于真空补偿。
11.上述方案中，将光纤、qbh光纤接头、自聚焦镜和圆弧喷嘴组合使用，可减少激光在连接处的能量损失、避免对光源的干扰，大大提高激光和水束的耦合效率； 自聚焦镜几何尺寸小，采用自聚焦镜代替传统的圆柱形透镜可减小耦合腔体的体积、重量；将常规喷嘴中心孔和自聚焦镜下端进行圆滑处理后可缩短自聚焦镜下端与圆弧喷嘴中心上表面距离；采用自聚焦镜可使激光不断的聚焦且具有更小的光斑直径，更容易将聚焦的激光耦合进入喷嘴中，实现高效的水光耦合，避免喷嘴损坏；自聚焦镜下端浸没在薄水层中可直接将聚焦的激光耦合进入喷嘴中心上表面及以下，直接激光束-水束的耦合，提高耦合效率，且不需要单独设置ccd成像判断耦合情况，减少耦合成本；采用多级式溢流方式可实现水束的稳定性；在水束外围施加一环形气体束可有效避免加工区域形成积水，特别是加工盲孔时的积水，有效避免积水对水束的破坏，影响激光传输。
12.一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，包括以下步骤：
13.s1：打开激光器发射激光，激光进入光纤，从光纤出来的激光进入qbh光纤接头并实现准直-扩束，从qbh光纤接头出来的激光进入自聚焦镜进行聚焦，焦点可聚焦在喷嘴中心上表面及以下；
14.s2：从注水口注入水流，水流依次经过注水口、环形水通道、多级式溢流台阶，最后到达喷嘴中心，然后从喷嘴中心喷射而出，形成一稳定水束；同时和激光束耦合，使激光束在水束内发生全反射，最终随着水束到达待加工件表面；
15.s3：从通气口通入气体，气体依次经过光纤固定腔的通气口、喷嘴底座的通孔、然后进入气流腔体侧边环形通道，并进入盲孔中，最后在环形气流通道汇聚，喷射形成一环形
气体束，实现气液复合。
16.本实用新型具备以下有益效果：1、本实用新型所述一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，采用光纤、qbh光纤接头、自聚焦镜组成光路传输系统，可有效减少激光在连接处的能量损失，qbh光纤接头具有低的传输损耗和高的承载功率，反射承受能力高，避免自聚焦镜反射面对光源的干扰，并实现水光高效耦合。
17.2、本实用新型所述一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，采用自聚焦镜对激光进行聚焦，可使激光光斑直径更小，更容易实现激光通过喷嘴中新耦合进入水束中，提高耦合效率；同时，自聚焦镜的几何尺寸小，有利于减小耦合腔体的体积和重量。
18.3、本实用新型所述一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，采用圆弧喷嘴与下端为圆弧的自聚焦镜组合，可在保证薄水层厚度不变的情况下有效缩短自聚焦镜下端与圆弧喷嘴中心上表面的距离，提高耦合效率，避免喷嘴损坏。
19.4、本实用新型所述一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，采用多级式溢流台阶，可减少水流动时产生的脉动，有利于实现水束的稳定性；采用对称分布的结构在水束外围施加一环形气体束，并在末端采用向外偏置一定角度的装置减少气体束向水束扩散，避免气体束干扰水束。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
21.图1为本技术具体实施方式基于自聚焦镜的水导激光耦合系统。
22.图2为本技术具体实施方式光纤固定腔。
23.图3为本技术具体实施方式喷嘴底座。
24.图4为本技术具体实施方式喷嘴底座正等轴测图。
25.图5为本技术具体实施方式气流腔体。
26.图6为本技术具体实施方式气流腔体正等轴测图。
27.图7为本技术具体实施方式喷嘴及自聚焦镜配合示意图。
28.图中各附图标记说明如下:
29.（1）光纤固定腔，（2）喷嘴底座，（3）气流腔体，（4）圆弧喷嘴，（5）自聚焦镜，（6）qbh光纤接头，（7）光纤保护层，（8）光纤，（9）o型密封圈，（10）激光聚焦位置，（11）薄水层，（1.1）多级式阶梯，（1.2）环形水通道，（1.3）o型密封圈固定台阶，（1.4）qbh光纤接头固定台阶，（1.5）光纤固定台阶，（1.6）注水口，（1.7）通气口，（2.1）o型密封圈固定通道，（2.2）喷嘴固定槽，（2.3）通孔，（2.4）环形通道，（3.1）环形气流通道，（3.2）真空补偿孔，（3.3）盲孔，（3.4）水束通道，（3.5）环形通道。
具体实施方式
30.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.本实施例所述的一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，如图1所示，包括从上至
下依次为光传输系统，水-光耦合系统和气液复合系统。
32.所述光传输系统包括（7）光纤保护层、（8）光纤、（6）qbh光纤接头和（5）自聚焦镜；所述（8）光纤位于（1）光纤固定腔中心并用（7）光纤保护层进行固定，上端为外接激光源输入端，下端与（6）qbh光纤接头直接粘接在一起；所述（6）qbh光纤接头位于（8）光纤和（5）自聚焦镜中间，（6）qbh光纤接头具有准直-扩束功能，可使从（6）qbh光纤接头射出的激光能更好的进入到（5）自聚焦镜中；所述（6）qbh光纤接头上端与（8）光纤直接连接，下端与（5）自聚焦镜直接粘接；（6）qbh光纤接头具有低的传输损耗和高的承载功率，反射承受能力高，可用于避免（5）自聚焦镜的平面端的反射面对光源的干扰；所述（5）自聚焦镜上端与（6）qbh光纤接头下端直接粘接在一起，（5）自聚焦镜下端进行圆滑处理（即倒圆角），（5）自聚焦镜下端用腐蚀或者研磨的方法做成有一定弧度的形状；所述（5）自聚焦镜下端的弧度可与（4）圆弧喷嘴的弧度相互配合，可用于缩短自聚焦镜下端与喷嘴中心上表面的距离，提高耦合效率。
33.进一步的，所述水-光耦合系统包括（1）光纤固定腔、（5）自聚焦镜、（4）圆弧喷嘴、（2）喷嘴底座；所述（1）光纤固定腔上表面开设两个对称的（1.6）注水口，用于通水；（1.6）注水口下端一段距离开设一（1.2）环形水通道，可使水流均匀分布并向下流动；（1）光纤固定腔中心部位开设一（1.5）光纤固定台阶，用于固定（7）光纤保护层和（8）光纤；（1.5）光纤固定台阶下端开设一（1.4）qbh光纤接头固定台阶，用于固定（6）qbh光纤接头，并用（9）o型密封圈进行密封固定；所述（6）qbh光纤接头下端两侧用设置一（9）o型密封圈，进行多次密封固定；所述（1.4）qbh光纤接头固定台阶下端开设一（1.3）o型密封圈固定台阶，（1.3）o型密封圈固定台阶中间放置（5）自聚焦镜，两端设置一（9）o型密封圈，用于固定、密封（5）自聚焦镜；所述（5）自聚焦镜上端也用（9）o型密封圈，进行多次密封固定；（1）光纤固定腔下端中心开设（1.1）多级式阶梯，可与喷嘴底座配合形成多级式溢流台阶，可消除水的脉动，有利于提高喷嘴中心喷射的水束的稳定性；所述（1）光纤固定腔沿圆周两侧均匀开设至少两个（1.7）通气口，如图2所示。
34.进一步的，所述（5）自聚焦镜一端与（8）光纤直接连接，一端可浸没在（11）薄水层中，并与（4）圆弧喷嘴中心保持同心，且与（4）圆弧喷嘴上表面的距离很近；所述（5）自聚焦镜下端为有一定弧度的的形状，所述（5）自聚焦镜下端的弧度可与（4）圆弧喷嘴的弧度相互配合，可用于缩短自聚焦镜下端与喷嘴中心上表面的距离，有利于提高水-光耦合效率，如图7所示。
35.进一步的，所述（2）喷嘴底座上端中心开设（2.2）喷嘴固定槽，两侧为多级式溢流台阶，可与（1）光纤固定腔配合形成多级式溢流通道；所述（2）喷嘴底座与（1）光纤固定腔通过螺纹连接在一起，并采用（9）o型密封圈进行密封；所述（2）喷嘴底座两侧开设一（2.4）环形通道，用于均匀气流流场分布；所述（2.4）环形通道中开设沿圆周均匀分布的多个（2.3）通孔，如图3、图4所示。
36.进一步的，所述气液复合系统包括（1）光纤固定腔、（2）喷嘴底座和（3）气流腔体；所述（3）气流腔体沿圆周两侧开设一（3.5）环形通道，该环形通道可与（2）喷嘴底座连通；所述（3.5）环形通道内部开设沿圆周均匀分布的多个（3.3）盲孔，（3.3）盲孔末端开设一（3.1）环形气流通道，（3.1）环形气流通道上端开设一（3.2）真空补偿孔，用于补偿（3.4）水束通道中的气体；所述（3）气流腔体上端开设一圆台，该圆台与（2）喷嘴底座有一定距离，用于（3.2）真空补偿孔的气体流通，如图5、图6所示。
37.进一步的，所述（1）光纤固定腔两侧对称开设的（1.7）通气口与（2.4）环形通道连通，（2.4）环形通道通过（2.3）通孔与（3.5）环形通道连通，（3.5）环形通道通过（3.3）盲孔与（3.1）环形气流通道连通，如图2所示。
38.进一步的，所述（4）圆弧喷嘴中心上表面进行圆滑处理（即倒圆角），使其上表面成为有一定弧度的形状；所述（4）圆弧喷嘴的弧度可与（5）自聚焦镜下端的弧度相互配合，保证两者之间的距离和薄水层的距离一致，通过这种弧度的配合可以使（5）自聚焦镜下端与（4）圆弧喷嘴中心上表面的距离很近，缩短了激光束耦合进入喷嘴的距离，可以大大提高水光耦合效率，如图7所示。
39.一种基于自聚焦镜的水导激光耦合装置，耦合方法包括以下步骤：
40.s1：打开激光器发射激光，激光进入（8）光纤，从（8）光纤出来的激光进入（6）qbh光纤接头并实现准直-扩束，激光将从（6）qbh光纤接头下端出来进入（5）自聚焦镜进行聚焦，焦点可聚焦在（4）圆弧喷嘴中心上表面及以下；
41.s2：从（1.6）注水口注入水流，水流依次经过（1.6）注水口、（1.2）环形水通道、（1.1）多级式溢流台阶，最后到达（4）圆弧喷嘴中心，然后从（4）圆弧喷嘴中心喷射而出，形成一稳定水束；同时和激光束在（4）圆弧喷嘴中心上表面及以下进行耦合，使激光束在水束内发生全反射，最终随着水束到达待加工件表面；
42.s3：从（1.7）通气口通入气体，气体依次经过（1）光纤固定腔的（1.7）通气口、（2）喷嘴底座中的（2.4）环形通道和（2.3）通孔、然后进入（3）气流腔体侧边（3.5）环形通道，并进入（3.3）盲孔中，最后在（3.1）环形气流通道汇聚，喷射形成一环形气体束，实现气液复合。
43.以上结合附图对本实用新型的实施方式详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。