CN110227884A - 基于无衍射光路设计的水导激光加工***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无衍射光路设计的水导激光加工***及方法，其光束传输聚焦耦合单元包括激光发射器和光束传输变换装置，激光发射器的前方设置倾斜的反光镜，设于反光镜下方的光束传输变换装置包括同轴的激光扩束模块、生成无衍射光束模块、玻璃块和喷嘴，玻璃块和喷嘴分别设于耦合腔体的顶部和底部；其工作台单元设于喷嘴下方，包括三维移动的工作台，夹持台板设于工作台上的水槽内，工件装夹于夹持台板上；其供液单元的泵管连通耦合腔体的进水口，喷嘴处产生向下的水束光纤，无衍射光束与水束光纤耦合后作用在工件上。本发明可获得较小的聚焦中心光斑及更长的准直区，降低了聚焦激光束与水束光纤的耦合难度，提高了耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光精密加工技术，具体为一种基于无衍射光路设计的水导激光加工***及方法。
背景技术
水导激光是利用水束光纤传导激光束的特性，由于水的折射率大于空气，当聚焦光束在水束的空气及液体交界面满足全反射临界条件时，形成的水束光纤能将其内部发生全反射的聚焦光束限制在水束中，激光在水束内部由于全反射作用沿水束光纤传播到待加工工件的表面，在激光烧蚀和熔融工件表面的同时，微细水束冲击工件去除材料并进行工件的冷却，从而完成对工件的加工。
水导激光微细加工过程中，水束所形成的水束光纤直径很小，利用水束光纤导引激光束，不会因传统激光光束随着加工过程而出现离焦现象而需进行实时调焦，可以进行厚板精密加工；多模水束光纤能够对光束具有均匀化作用，可以提高工件的加工质量，加工件几乎无锥度；此外，由于微水射流具有一定的冲击和冷却效应，能够冲刷激光所产生的熔融物质和切屑，使加工断面平整，没有明显的重铸层，降低热影响区、减小微裂纹的产生及拓展，显著提高了加工质量。在高精密低损伤加工领域中，水导激光加工技术因诸多优良的特性而具有巨大的应用前景，瑞士联邦大学申请的国际专利(WO95/32834)将水导激光技术发展后成为产业化应用。
然而，现有的水导激光加工装置存在一定的缺陷；
1、由于喷嘴直径小(几十微米)，且在形成水束光纤的过程中存在缩水现象，激光通过传统凸透镜聚焦后和水束耦合，耦合调节困难，光束与喷嘴中心对中稍有偏差就会烧坏喷嘴，并使耦合传输失败。
2、光束聚焦过程中计算调节复杂，且聚焦光束质量差，使得耦合效率降低，限制了水导激光技术的推广与产业化应用。
针对传统水导激光光束耦合存在的缺陷，专利号CN101508060A对应的文中借助简单的单正轴棱锥镜产生无衍射光束，在无衍射光束耦合水束的过程中，可以降低耦合难度，降低装置的调整精度，并提高耦合效率。在使用简单的单正轴棱锥镜产生无衍射光束的过程中，欲获得较大无衍射范围及更小的聚焦中心光斑的高质量光束，锥角(0.5°～2°)越小越好。然而，锥角过小，加工精度高，制造难度大，存在的小锥角容易造成锥镜尖端磨损，降低轴棱锥镜的可靠性及其光学性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种基于无衍射光路设计的水导激光加工***及方法，以此来降低单正轴棱锥镜的制造难度，提高透镜使用的可靠性，并获得高质量的聚焦光束。
本发明基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其技术方案包括光束传输聚焦耦合单元、工作台单元和供液单元，其中：
1、所述光束传输聚焦耦合单元包括激光发射器、反光镜和光束传输变换装置，所述激光发射器的前方设置45°倾斜的反光镜，设于反光镜下方的光束传输变换装置包括自上而下同轴设置的激光扩束模块、生成无衍射光束模块、玻璃块和喷嘴，所述玻璃块设于耦合腔体的顶部，所述喷嘴设于耦合腔体的底部。
2、所述工作台单元设于喷嘴下方，包括能进行X/Y/Z向移动的工作台，夹持台板设于工作台上的水槽内，工件装夹于夹持台板上。
3、所述供液单元的泵管连通耦合腔体侧部均布的进水口，所述耦合腔体的底部出水口即喷嘴处产生向下的水束光纤，所述生成无衍射光束模块产生的无衍射光束与水束光纤耦合后作用在工件上。
4、所述水槽通过回流管连通供液单元。
所述生成无衍射光束模块第一种优选方案采用正负轴棱锥组合镜。
所述生成无衍射光束模块第二种优选方案采用球差透镜组合镜。
所述生成无衍射光束模块第三种优选方案采用线性径向梯度折射率透镜。
所述生成无衍射光束模块第四种优选方案采用非球面透镜。
所述生成无衍射光束模块第五种优选方案采用凹锥镜。
所述生成无衍射光束模块第六种优选方案采用衍射轴锥镜。
所述生成无衍射光束模块第七种优选方案采用圆柱和轴锥镜组合镜。
常规上，所述激光扩束模块采用倒置的单筒望远镜。
采用本发明基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其加工的工序步骤为：
1、将工件装夹于夹持台板上，运行工作台将工件调节至合适的激光加工位置。
2、启动供液单元，供液单元输出的无极调压高压水进入耦合腔体内形成稳流薄液层，稳流薄液层从喷嘴射出形成稳定的水束光纤。
3、开启激光发射器发出激光束，激光束先经过激光扩束模块进行光束质量优化，再通过生成无衍射光束模块聚焦形成无衍射光束，无衍射光束在满足全反射条件下耦合水束光纤并作用在工件上。
4、工作台在加工程序控制下带动工件作平面二维运动或空间三维运动，配合激光束的熔融、汽化材料的作用及水束光纤传导光束及冲击、冷却作用完成对工件的加工。
5、加工过程中形成的废渣液由水槽收集并通过回流管过滤后回流供液单元。
本发明的有益效果：
1、本发明利用生成无衍射光束模块来产生无衍射激光束，利用无衍射激光束的特性来提高聚焦光束的质量，以获得较小的聚焦中心光斑及更长的准直区，降低聚焦激光束与水束光纤的耦合难度，提高耦合效率。
2、本发明利用无衍射光束聚焦获得长距离准直区的特性，降低光束的调整难度，进一步降低水导激光对准调节装置的调整精度及复杂度。
3、本发明采用生成无衍射光束模块，相比于产生无衍射光束简单的单正轴棱锥镜，可以降低单正轴棱锥镜的制造难度及过小锥角锥镜的磨损及光学元件的安装难度，提高产生无衍射光束模块中透镜使用过程的可靠性，保证对应的光学特性，并进一步提高***的协调稳定性。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图。
图2为图1实施方式中生成无衍射光束模块的第一种结构原理图。
图3为图1实施方式中生成无衍射光束模块的第二种结构原理图。
图4为图1实施方式中生成无衍射光束模块的第三种结构原理图。
图5为图4中透镜折射率的变化曲线。
图6为图1实施方式中生成无衍射光束模块的第四种结构原理图。
图7为图1实施方式中生成无衍射光束模块的第五种结构原理图。
图8为图1实施方式中生成无衍射光束模块的第六种结构原理图。
图9为图1实施方式中生成无衍射光束模块的第七种结构原理图。
图号标识：1、供液单元；2、激光发射器；3、反光镜；4、激光扩束模块；5、生成无衍射光束模块；6、玻璃块；7、耦合腔体；8、喷嘴；9、工作台；10、夹持台板；11、水槽；12、工件；13、水束光纤；14、正负轴棱锥组合镜；15、球差透镜组合镜；16、激光束；17、控制器；18、线性径向梯度折射率透镜；19、挡光板；20、非球面透镜；21、凹锥镜；22、衍射轴锥镜；23、圆柱和轴锥镜组合镜；24、过滤器；25、水箱；26、液压泵；27、节流阀；28、蓄能器；29、进水口。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明基于无衍射光路设计的水导激光加工***，包括光束传输聚焦耦合单元、工作台单元和供液单元1。
所述光束传输聚焦耦合单元包括激光发射器2和光束传输变换装置，由控制器17操控的激光发射器2的左前方设置有45°倾斜的反光镜3(反光镜3的镜面朝向激光发射器2)，所述光束传输变换装置设于反光镜3的下方；所述光束传输变换装置包括自上而下同轴设置的激光扩束模块4、生成无衍射光束模块5、玻璃块6和喷嘴8，所述玻璃块6设于耦合腔体7的顶部，所述喷嘴8(内径范围为30μm～200μm，材料可选择铜、蓝宝石、钻石)设于耦合腔体7的底部，如图1所示。
所述反光镜3优选镀反射膜，激光扩束模块4及生成无衍射光束模块5中的光学元器件优选镀增透膜。
所述工作台单元设于耦合腔体7的喷嘴8下方，包括能进行X/Y/Z向移动的工作台9，所述工作台9上设有带回流管的水槽11，所述水槽11内架设有夹持台板10，所述夹持台板10上装夹有工件12，所述工件12与喷嘴8正对，调节工作台9的高度可使工件12与喷嘴8之间保持合适的加工距离，如图1所示。
所述供液单元1中包括按如图1所示液路连接安装的过滤器24，水箱25，液压泵26，节流阀27和蓄能器28，过滤器24对泵出液流及加工回流液进行过滤，液压泵26根据压力的取值可选用柱塞泵或叶片泵，以减小泵出液流的脉动，设有的蓄能器28起到保压稳压的效果，提高液流的稳定性。
所述供液单元1设于工作台9的一侧，供液单元1的泵管(采用耐高压软管，长度为3m～8m，便于进行液体的缓冲和减小液流脉动)连通在耦合腔体7两侧的进水口29(本例中2个进水口29在耦合腔体7周向对称分布，也可采用4个、或6个、或8个进水口29沿耦合腔体7周向对称分布，优选6个进水口29，以减小进入耦合腔体中液体的脉动，提高液流的稳定性)，供液单元1输出的无极调压(压力范围5MPa～50MPa)高压去离子水或蒸馏水进入耦合腔体7内形成稳流薄液层，稳流薄液层从喷嘴8向下射出形成稳定的水束光纤13，如图1所示。
本发明基于无衍射光路设计的水导激光加工***的加工方法按照如下方案步骤进行：
1、将工件12装夹于夹持台板10上，上升或下降工作台9将工件12调节至合适的激光加工位置。
2、启动供液单元1，供液单元1的泵管输入的高压去离子水从进水口29进入耦合腔体7内形成稳流薄液层，稳流薄液层经喷嘴8向下方工件12射出稳定的水束光纤13。
3、打开控制器17开启激光发射器2，激光发射器2发出激光束16(优选采用Nd:YAG脉冲激光，波长为1064nm/532nm，功率范围20～500W，频率2KHz～20KHz)，激光束16先经过激光扩束模块4进行光束质量优化，再通过生成无衍射光束模块5聚焦形成无衍射光束，无衍射光束在满足全反射条件下耦合水束光纤13并作用在工件12上进行切割加工。
4、工作台9在加工程序控制下带动工件12作平面二维运动或空间三维运动，配合激光束16的熔融、汽化材料的作用及水束光纤13传导光束及冲击、冷却作用完成对工件12的加工。
5、加工过程中形成的废渣液由水槽11收集并通过回流管经过滤器24过滤后回流供液单元1中的水箱25中，实现水的回收再利用。
本发明中，所述生成无衍射光束模块5可选用正负轴棱锥组合镜14、或球差透镜组合镜15、或线性径向梯度折射率透镜18、或非球面透镜20、或凹锥镜21、或圆柱和轴锥镜组合镜22、或衍射轴锥镜23。
一、正负轴棱锥组合镜14
如图2所示的结构及光学路线，组合轴棱锥光学传输矩阵为：
其中，负轴棱锥镜出射光束作为正轴棱锥镜的入射光束(r1＝r2)，θ＝θ1-θ2为正负轴棱锥组合镜等效锥角。
最大无衍射光束区域Zmax内，根据贝塞尔函数特性，无衍射光束中心最小亮斑半径R，式中n为轴棱镜的折射率，λ为光束波长
根据组合轴棱镜特性，假设θ1＝8°，θ2＝7°，θ＝θ1-θ2＝1°，所选激光束16波长为1064nm、轴棱镜材料的折射率为1.55，激光束半径r＝10mm，则Z≈1042mm，R＝25μm，满足喷嘴8内径设计的范围，可以将高准直度的高质量聚焦无衍射光束耦合进水束光纤13中。
二、球差透镜组合镜15
会聚单透镜具有正球差，发散单透镜具有负球差和负的屈光力，为了同时满足负球差及正屈光力，采用两种不同材料的球差会聚透镜和发散透镜粘合；由于旁轴光线受球差影响较小，利用挡光板19将其挡去，挡光板19的半径不能太小(一般半径范围可设为2～5mm)，以便出射光线在子午面上近似为平行光，以获得较高质量的无衍射光束。
如图3所示，根据形成无衍射光束的特征，ΔA1B1C1与ΔA2B2C2相似，设计过程中满足R1/R2＝Z1/Z2，产生贝塞尔光束的最大无衍射区域Zmax＝Z2-Z1。
三、线性径向梯度折射率透镜18
线性径向梯度折射率透镜18的折射率变化曲线如图5所示，遵循n(r)＝n0-gr，其中n0为透镜中心折射率，g为折射率曲线变化参数，r为透镜径向半径变量。
如图4所示，线性径向梯度折射率透镜18产生贝塞尔光束的最大无衍射区域Zmax≈R/(g·D)，其中R为平行光入射半径、g为折射率曲线变化参数、D为线性径向梯度折射率透镜厚度。
四、非球面透镜20的光学路线见图6所示。
五、凹锥镜21的光学路线见图7所示。
六、衍射轴锥镜22的光学路线见图8所示。
七、圆柱和轴锥镜组合镜23的光学路线见图9所示。
本发明产生的无衍射光束具有中心光斑直径小、能量分布均匀、准直区长等特性，无衍射光束达到几十μm级的中心光斑，且在中心光斑尺寸量级准直长度可达到几十cm；在进行加工时，加工深度的动态范围大，在无衍射范围内对工件位置误差的敏感度为零，对工件表面的平整度适应性强，且沿光轴方向既不需要精密聚焦，也无需考虑齐焦的问题。
本发明利用产生的无衍射光束进行水束光纤13的耦合过程中，Z向耦合调整难度降低，提高了无衍射光束与水束光纤13的耦合效率。
Claims (10)
1.基于无衍射光路设计的水导激光加工***，包括光束传输聚焦耦合单元、工作台单元和供液单元(1)，其特征在于：
所述光束传输聚焦耦合单元包括激光发射器(2)、反光镜(3)和光束传输变换装置，所述激光发射器(2)的前方设置45°倾斜的反光镜(3)，设于反光镜(3)下方的光束传输变换装置包括自上而下同轴设置的激光扩束模块(4)、生成无衍射光束模块(5)、玻璃块(6)和喷嘴(8)，所述玻璃块(6)设于耦合腔体(7)的顶部，所述喷嘴(8)设于耦合腔体(7)的底部；
所述工作台单元设于喷嘴(8)下方，包括能进行X/Y/Z向移动的工作台(9)，夹持台板(10)设于工作台(9)上的水槽(11)内，工件(12)装夹于夹持台板(10)上；
所述供液单元(1)的泵管连通耦合腔体(7)侧部均布的进水口(29)，所述耦合腔体(7)的底部出水口即喷嘴(8)处产生向下的水束光纤(13)，所述生成无衍射光束模块(5)产生的无衍射光束与水束光纤(13)耦合后作用在工件(12)上；
所述水槽(11)通过回流管连通供液单元(1)。
2.根据权利要求1所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述生成无衍射光束模块(5)为正负轴棱锥组合镜(14)。
3.根据权利要求1所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述生成无衍射光束模块(5)为球差透镜组合镜(15)。
4.根据权利要求1所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述生成无衍射光束模块(5)为线性径向梯度折射率透镜(18)。
5.根据权利要求1所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述生成无衍射光束模块(5)为非球面透镜(20)。
6.根据权利要求1所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述生成无衍射光束模块(5)为凹锥镜(21)。
7.根据权利要求1所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述生成无衍射光束模块(5)为衍射轴锥镜(22)。
8.根据权利要求1所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述生成无衍射光束模块(5)为圆柱和轴锥镜组合镜(23)。
9.根据权利要求1～8中任意一项所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其特征在于：所述激光扩束模块(4)为倒置的单筒望远镜。
10.基于无衍射光路设计的水导激光加工方法，其特征在于采用了如权利要求1～4中任意一项所述的基于无衍射光路设计的水导激光加工***，其加工的方案步骤为：
①、将工件(12)装夹于夹持台板(10)上，运行工作台(9)将工件(12)调节至合适的激光加工位置；
②、启动供液单元(1)，供液单元(1)输出的无极调压高压水通过进水口(29)进入耦合腔体(7)内形成稳流薄液层，稳流薄液层从喷嘴(8)射出形成稳定的水束光纤(13)；
③、开启激光发射器(2)发出激光束(16)，激光束(16)先经过激光扩束模块(4)进行光束质量优化，再通过生成无衍射光束模块(5)聚焦形成无衍射光束，无衍射光束在满足全反射条件下耦合水束光纤(13)并作用在工件(12)上；
④、工作台(9)在加工程序控制下带动工件(12)作平面二维运动或空间三维运动，配合激光束(16)的熔融、汽化材料的作用及水束光纤(13)传导光束及冲击、冷却作用完成对工件(12)的加工；
⑤、加工过程中形成的废渣液由水槽(11)收集并通过回流管过滤后回流供液单元(1)。
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