CN212443728U - 高功率激光束高效耦合水导激光结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高功率激光束高效耦合水导激光结构，其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；其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；其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；其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。

Description

高功率激光束高效耦合水导激光结构

技术领域

本实用新型涉及激光高精密加工技术，具体为一种高功率激光束高效耦合水导激光结构。

背景技术

水导激光利用耦合腔体中的喷嘴形成的微米级水束光纤传导激光束，激光在满足水束光纤的空气与水束交界面的全反射临界条件后发生全反射并被限制在水束中。激光束由于全反射作用沿水束光纤传播到待加工工件的表面而对其进行材料的烧灼，同时水束冲击、冷却工件表面，从而完成对工件的高精密加工。

水导激光加工中，利用水束光纤导引激光束，可克服传统激光加工因聚焦光束随着加工过程而出现离焦现象而需要实时调焦的问题，能够实现厚板的精密加工。水束光纤形成的多模态效应对耦合进入的聚焦激光束的能量密度分布具有均匀化作用，可实现切槽平行。此外，微水射流的冲击和冷却效应，能够去除激光烧蚀所产生的熔融物质和切屑，能够降低热影响区，减小微裂纹的形成和拓展、减少加工件的表面形成的重铸层，显著提高加工质量。因此，水导激光加工技术被广泛应用于航空航天、生物医疗、轨道交通、新能源、IC、MEMS中，且该项技术也获得Synova SA(瑞士喜诺发公司)、Avonisys AG(瑞士阿沃尼西斯股份公司)、SHIBUYA(日本涩谷工业株式会社)的产业化应用。

然而，现有的水导激光加工技术中存在一定的缺陷；

1、喷嘴形成的水束光纤的直径小(几十微米)，激光束通过聚焦与水束光纤耦合，水束-光束耦合调节困难，聚焦光束与喷嘴中心对中偏差会使喷嘴烧灼，造成耦合传输失败。

2、激光束需经过聚焦透镜、空气、玻璃窗口、液层聚焦后到达喷嘴端面，光束聚焦过程计算调节复杂；耦合腔体光学传输腔尺寸较大，耦合腔体的密封及承压要求高，结构相对复杂。

以上技术缺陷限制了水导激光加工技术更好地推广及应用。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出了一种降低水束-光束耦合难度，降低耦合腔体结构尺寸，并利用高功率激光束来提高加工效率的高功率激光束高效耦合水导激光结构。

能够解决上述技术问题的高功率激光束高效耦合水导激光结构，其技术包括传能模块、传能固定模块、耦合液腔模块和喷嘴模块，所不同的是：

1、所述传能模块的上端接入高功率传能光纤，传能模块的下端设有对激光束进行传输的传能光纤头、或自聚焦透镜、或金刚石接头。

2、所述传能固定模块包括与传能模块同轴安装的定中块，所述定中块同轴安装于连接体内，所述连接体底部设有同轴安装于定中块上的挡流块，所述挡流块与连接体之间设有密封圈。

3、所述喷嘴模块包括设于传能模块及传能固定模块下方的喷嘴座，所述喷嘴座上设有与传能模块下端同轴的喷嘴。

4、所述耦合液腔模块包括设于挡流块及定中块与喷嘴座之间的低压稳流液层，所述低压稳流液层从喷嘴喷出形成水射流(水束)。

5、所述传能模块的下端于定中块底部悬伸于低压稳流液层中或传能模块的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。

所述传能模块采用末端悬浮式结构时，所述喷嘴的圆形喷孔匹配传能模块下端的外圆。

所述传能模块采用末端固定式结构时，所述传能模块的下端内切于喷嘴的正六边形喷孔、或正五边形喷孔、或正方形喷孔、或正三角形喷孔、或椭圆形喷孔、或花瓣形喷孔中。

所述传能模块采用末端固定式结构时，所述喷嘴的圆形喷孔内通过圆周均匀的薄肋片支撑同心环套，所述传能模块的下端定位于环套内。

所述喷嘴的材质可选用工具钢、或选用蓝宝石、或选用不锈钢且采用高精密加工或高精密3D打印制作。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型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-光束耦合过程中的对准调节精度，降低了耦合难度。

2、本实用新型利用紧凑的传能模块进行激光束的直接传输聚焦，减小了耦合腔体中光学传输的光腔尺寸，进一步缩小了耦合腔体的整体尺寸，提高了腔体的密封性能及承压能力。

3、本实用新型采用传能模块进行高功率激光束的直接传输聚焦及耦合到水束中形成水束光纤，提高了水导激光的加工精度及效率。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式的结构示意图，其中的传能模块为末端悬浮式结构。

图2为本实用新型另一种实施方式的结构示意图，其中的传能模块末端为固定式结构。

图3为图1实施方式中传能模块与喷嘴的圆形喷孔的对位图。

图4(a)为图2实施方式中传能模块与喷嘴的正六边形喷孔的对位图。

图4(b)为图2实施方式中传能模块与喷嘴的正五边形喷孔的对位图。

图4(c)为图2实施方式中传能模块与喷嘴的正四边形喷孔的对位图。

图5(a)为图2实施方式中传能模块与喷嘴的正三角形喷孔的对位图。

图5(b)为图2实施方式中传能模块与喷嘴的椭圆形喷孔的对位图。

图6为图2实施方式中采用带薄肋片的喷嘴结构图。

图7为图1、图2实施方式中传能模块的结构图。

图号标识：1、传能模块；1-1、传能光纤；1-2、光纤包层；2、自聚焦透镜；3、定中块；4、连接体；5、挡流块；6、喷嘴座；7、喷嘴；7-1、正六边形喷孔；7-2、正五边形喷孔；7-3、正方形喷孔；7-4、正三角形喷孔； 7-5、椭圆形喷孔；8、低压稳流液层；9、水束光纤；10、激光束；11、薄肋片；12、环套；13、密封圈。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本实用新型的技术方案作进一步说明。

本实用新型高功率激光束高效耦合水导激光结构，包括传能模块1、传能固定模块、耦合液腔模块和喷嘴模块，所述传能固定模块居中定位传能模块1，所述喷嘴模块设于传能模块1、传能固定模块下方，所述耦合液腔模块设于传能模块1、传能固定模块与喷嘴模块之间，所述传能模块1将高功率激光束进行直接导引传输后耦合到喷嘴模块而形成水束光纤9。

封装成型为圆柱体的传能模块1的上端接入高功率传能光纤1-1，所述传能光纤1-1外层为光纤包层1-2，传能模块1的下端设有对激光束10进行传输的传能光纤头、或自聚焦透镜2、或金刚石接头，如图1、图2、图7所示。

所述传能固定模块包括与传能模块1同轴安装的定中块3，所述定中块3 同轴安装于连接体4内，所述连接体4底部设有同轴安装于定中块3上的挡流块5，所述挡流块5与连接体4之间设有密封圈13，传能模块1的下端于定中块3底部悬伸，如图1、图2所示。

所述喷嘴模块包括喷嘴座6，所述喷嘴座6上开设有贯通的喷嘴安装孔或喷嘴螺纹孔，所述喷嘴安装孔中嵌入有与传能模块1下端同轴的喷嘴7，或喷嘴螺纹孔上旋合有与传能模块1下端同轴的喷嘴7，所述喷嘴7有如下多种形式：

1、喷嘴7的圆形喷孔，该圆形喷孔内径匹配传能模块1的下端外圆，如图3所示。

2、喷嘴7的圆形喷孔中设有同心的环套12，所述环套12与圆形喷孔内壁之间圆周均布设有三条径向的薄肋片11而对环套12进行支撑，环套12的内孔匹配传能模块1的下端外圆，如图6所示。

3、喷嘴7的正六边形喷孔7-1，如图4(a)所示。

4、喷嘴7的正五边形喷孔7-2，如图4(b)所示。

5、喷嘴7的正方形喷孔7-3，如图4(c)所示。

6、喷嘴7的正三角形喷孔7-4，如图5(a)所示。

7、喷嘴7的椭圆形喷孔7-5，如图5(b)所示。

所述耦合液腔模块包括设于挡流块5、定中块3以及传能模块1下端与喷嘴座6之间的低压稳流液层8，所述低压稳流液层8由外而内流动并经喷嘴7的喷孔向下喷出而形成水射流(水束)，如图1、图2所示。

如图1、图3所示，所述传能模块1的下端悬伸于低压稳流液层8，传能模块1的下端外径匹配喷嘴7的圆形喷孔。

如图2所示，所述传能模块1的下端穿过低压稳流液层8伸入至喷嘴7 的喷孔中固定，有如下几种方式：

1、传能模块1的下端伸入至喷嘴7喷孔中的环套12内固定，如图6所示。

2、传能模块1的下端伸入至喷嘴7的正六边形喷孔7-1中内切固定，如如图4(a)所示。

3、传能模块1的下端伸入至喷嘴7的正五边形喷孔7-2中内切固定，如图4(b)所示。

4、传能模块1的下端伸入至喷嘴7的正方形喷孔7-3中内切固定，如图 4(c)所示。

5、传能模块1的下端伸入至喷嘴7的正三角形喷孔7-4中内切固定，如图5(a)所示。

6、传能模块1的下端伸入至喷嘴7的椭圆形喷孔7-5中内切固定，如图 5(b)所示。

一种优选实施例中，所述传能光纤1-1的纤芯直径d_c范围选择为20μm～ 200μm，根据喷嘴7形成的水射流直径d_j进行匹配(d_c＜d_j)以便进行耦合；激光束10的波长选择为532nm或1064nm，优选532nm；激光工作形式可采用准连续或脉冲激光，采用脉冲激光时，脉宽为5ns～50ns，功率200W～2000W，频率范围为20kHz～200kHz。

如图1所示的传能模块1下端悬置时，传能模块1***低压稳流液层8 中的深度，需要满足对应的耦合条件进行匹配，具体满足的要求为： H≤(d_j-d_c)/{2tan[arcsin(NA/n_w)]}，其中，H为传能模块1下端到喷嘴7的喷口距离，d_j为形成的水束光纤9的直径，d_c为传能光纤1-1的直径，NA为光纤在空气中的数值孔径，n_w为形成水束光纤9的液体折射率。

传能光纤1-1传输的高功率激光束10与喷嘴7的水射流进行耦合形成水束光纤9，不仅达到水束导引激光束10的目的，还进一步实现了高功率激光束10高效耦合的水导激光对材料的高效、高精密及低损伤加工。

采用本实用新型高功率激光束高效耦合水导激光结构耦合水束光纤9的方案步骤为：

1、启动高压供液模块而形成耦合液腔模块的低压稳流液层8，低压稳流液层8从喷嘴7向下射出而形成稳定的水射流(水束)。

2、选择耦合方式

①、传能模块1的下端悬伸于低压稳流液层8中，匹配好能模块1的纤芯直径d_c、水射流直径d_j、激光束10的波长、功率和频率、传能模块1下端***低压稳流液层8中的深度、传能模块1下端到喷嘴7的喷口距离。

②、传能模块1的下端伸入喷嘴7的喷口内并固定位置。

3、开启激光发射器，高功率激光束10经传能光纤1-1传输至传能光纤头、或自聚焦透镜2、或金刚石接头，激光束10经传能光纤头、或自聚焦透镜2、或金刚石接头聚焦后向下射出。

4、在满足全反射的条件下，激光束10被引导耦合到水射流中而形成水束光纤9。

Claims (5)

1.高功率激光束高效耦合水导激光结构，包括传能模块(1)、传能固定模块、耦合液腔模块和喷嘴模块，其特征在于：

所述传能模块(1)的上端接入高功率传能光纤(1-1)，传能模块(1)的下端设有对激光束进行传输的传能光纤头、或自聚焦透镜(2)、或金刚石接头；

所述传能固定模块包括与传能模块(1)同轴安装的定中块(3)，所述定中块(3)同轴安装于连接体(4)内，所述连接体(4)底部设有同轴安装于定中块(3)上的挡流块(5)，所述挡流块(5)与连接体(4)之间设有密封圈(13)；

所述喷嘴模块包括设于传能模块(1)及传能固定模块下方的喷嘴座(6)，所述喷嘴座(6)上设有与传能模块(1)下端同轴的喷嘴(7)；

所述耦合液腔模块包括设于挡流块(5)及定中块(3)与喷嘴座(6)之间的低压稳流液层(8)，所述低压稳流液层(8)从喷嘴(7)喷出形成水射流；

所述传能模块(1)的下端于定中块(3)底部悬伸于低压稳流液层(8)中或传能模块(1)的下端伸入并固定于喷嘴(7)的喷孔内而将激光束(10)耦合到水射流中形成水束光纤(9)。

2.根据权利要求1所述的高功率激光束高效耦合水导激光结构，其特征在于：所述喷嘴(7)的圆形喷孔匹配传能模块(1)下端的外圆。

3.根据权利要求2所述的高功率激光束高效耦合水导激光结构，其特征在于：所述传能模块(1)的下端内切于喷嘴(7)的正六边形喷孔(7-1)、或正五边形喷孔(7-2)、或正方形喷孔(7-3)、或正三角形喷孔(7-4)、或椭圆形喷孔(7-5)、或花瓣形喷孔中。

4.根据权利要求2所述的高功率激光束高效耦合水导激光结构，其特征在于：所述喷嘴(7)的圆形喷孔内通过圆周均匀的薄肋片支撑同心环套(12)，所述传能模块(1)的伸入端定位于环套(12)内。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的高功率激光束高效耦合水导激光结构，其特征在于：所述喷嘴(7)的材质选择工具钢、或选择蓝宝石、或选择不锈钢且采用高精密加工或高精密3D打印制作。

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