CN101396768A - 利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置，包括用于把射流喷射到工件的管嘴和用于向所述管嘴供给射流的流体供给装置，其中激光束被引入从管嘴喷射出的射流柱中。所述激光加工装置进一步包括用于在层流状态下向管嘴供给射流的层流形成通道。层流形成通道包括由空腔形成的用于围绕管嘴的轴线环形分配射流的分配通道，射流从流体供给装置供给，还包括在管嘴的轴向中其下游侧处与分配通道相连通设置的互联通道，互联通道由围绕管嘴的轴线的环形空腔形成以提供比分配通道更窄的流动通道，以及邻近管嘴的轴向中的管嘴的上游设置的流体贮存腔，所述流体贮存腔储存将供给到管嘴的射流。流体贮存腔具有在其环形的整个圆周上与互联通道相连通的外周边。

Description

利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种利用引入射流柱(jet liquid column)中的激光束的激光加工(处理)装置。更特别地，本发明涉及一种利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置，该装置可以提高激光束的传播效率，并可以保证稳定的加工质量。

背景技术

至今为止，已知一种将激光束照射到用于电镀或蚀刻的电解液的射流柱中的装置，该装置利用将激光束引入穿过射流柱的技术在基板上执行电镀或蚀刻。还已知一种利用水柱和激光束来切割待治疗部分的治疗装置，其将激光束照射到水柱中，且利用全反射使激光束在水柱中传播。

这种通过全反射将激光束引入流体柱中的技术应用于各个领域中。在激光加工领域中，已知一种激光加工装置，其中通过在喷射液体的同时发射激光束来执行期望的激光加工(例如，PCT日本翻译专利公开No.Hei 10-500903(专利文件1)，图2)。在已知的激光加工装置中，其中具有喷嘴通道用来喷射流体柱束(射流柱)的喷管管夹(nozzle block)设置在加工头的末端，通过聚焦镜头将激光束聚集到喷嘴通道的入口，从而激光束被引入从喷嘴通道射出的流体柱中。

此外，在已知的激光加工装置中，主要使用YAG激光(具有1064nm的波长)、CO₂激光(具有10.6μm的波长)等以提供激光束。

由于YAG激光(具有1064nm的波长)和CO₂激光(具有10.6μm的波长)更容易被通常用于产生射流柱的水吸收，激光束的传播效率低。此外，由于当激光束被水吸收时产生的热会引起热透镜作用，所以难以有效地将激光束引入水射流(射流柱)中。此外，如果激光束被产生的热透镜作用折射，折射的激光束可能照射到管嘴的入口部分，从而损坏管嘴。

为了解决上述问题，在专利文件1描述的激光加工装置中，作为供水通道用于向管嘴引入水以喷射水射流(water jet)的流体供给空间的高度被降低，以减小激光束与供水通道相交的距离。此外，在该设备中，通过降低流体供给空间的高度来增加水射流过流体供给空间的流速。这有效地降低了流过流体供给空间且吸收激光束的水的温度升高，且有效地抑制了热透镜的形成。

但是，当水在用于将水引入管嘴中的流体供给空间中的流速被提高以降低水的温度升高时，出现的另一个问题是水射流的形状变得易于波动，且水射流表面被扰乱。更具体地，如果水射流的表面被扰乱，引入水射流中的激光束也受到影响，从而导致激光加工装置的加工质量降低。在一些情况下，根据加工目标的材料或尺寸，激光加工装置执行的一个加工周期需要很长时间。因此，需要水射流在整个较长的加工时间内具有不受扰动的高稳定性。此外，如果水射流的表面被扰乱，激光束可能没有在水射流表面进行全反射就射出水射流。因此，由于水射流的扰动，激光束的传播效率被降低。

发明内容

根据上述现有技术，本发明的目的是提供一种可以稳定地产生用于引入激光束的水射流的激光加工装置。

本发明的另一个目的是提供一种利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置，所述装置可以提高激光束的传播效率，且可以保证稳定的加工质量。

为了达到上述目的，本发明的权利要求1提供了一种激光加工装置，包括用于产生激光束的激光振荡器，用于把射流喷射到工件的管嘴，以及用于向管嘴供给射流的流体供给装置，激光束被引入从管嘴射出的射流柱，所述激光加工装置进一步包括用于在层流状态下向管嘴供给射流的层流形成通道，所述层流形成通道包括由空腔形成的用于围绕管嘴的轴环形分配射流的分配通道，所述射流从流体供给装置供给，还包括在所述管嘴的轴向中其下游侧处与所述分配通道相连通设置的互联通道，所述互联通道由围绕所述管嘴的轴线的环形空腔形成以提供比分配通道更窄的流动通道，以及邻近所述管嘴的轴向中的管嘴的上游设置的流体贮存腔，所述流体贮存腔储存将供给到管嘴的射流，且具有在互联通道的环形的整个圆周上与该互联通道相连通的外周边。

根据本发明的权利要求1，提供用于在层流状态下向管嘴供给射流的层流形成通道，从而可以在管嘴的上游产生处于稳定的层流状态下(即具有小雷诺数的状态)的流动。因此，可以从管嘴喷射出表面不易受到扰动(disturbance)且没有波动的射流柱。

更具体地，在高压下供给的射流首先被围绕管嘴轴的分配通道环形分配。然后，射流流过形成为环状且提供比分配通道更窄的流动通道的互联通道，从而射流在湍流(turbulence)被抑制的状态下被引入流体贮存腔。引入流体贮存腔的射流的流动速度被降低。因此，射流流动的雷诺数被减小，从而射流在层流状态下被引入管嘴。

此外，由于流体贮存腔的外周边在互联通道的环形的整个圆周上与该互联通道相连通，当射流被均匀地引入从互联通道的整个圆周引入流体贮存腔的外周边时，射流的流速被降低。因此，在流体贮存腔中射流可以维持在稳定的层流状态中。

因此，通过提供用于降低管嘴上游的流速以产生稳定层流状态的层流形成通道，可以从管嘴喷射出表面不易受到扰动且没有波动的稳定的射流柱，从而可以防止加工质量的退化。此外，可以提高引入射流柱中的激光束的传播效率。

根据本发明的权利要求2，在根据权利要求1所述的激光加工装置中，当激光束通过射流时，所述激光束的吸收系数是0.01cm^-1或更小。

根据本发明的权利要求3，在根据权利要求2所述的激光加工装置中，所述射流是水，所述激光束是绿色激光或UV激光。

根据这些特征，由于当激光束通过射流时可以降低激光束的衰减，因此即使当流体贮存腔构造为具有较大的厚度(深度)时，也可以以足够的强度把激光束引入到射流柱中。此外，当射流是水时，使用绿色激光(波长为532nm的二次谐波(SHG)YAG激光)或UV激光(波长例如为355nm或266nm)，由于这两种激光都不易被水吸收且对于水具有高透射率，因此可以提高激光束的传播效率。此外，通过使用不易被射流吸收的激光束，抑制了热透镜的形成，且可以以更高的精确度更容易地把激光束引入管嘴的入口。因此，可以防止管嘴损坏，保证稳定的加工质量。

根据本发明的权利要求4，在根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工装置中，射流是水，且激光束的波长范围是200至700nm。

根据这些特征，由于当激光束通过水时可以降低激光束的衰减，因此即使当流体贮存腔构造为具有较大的厚度(深度)时，也可以以足够的强度把激光束引入到水中。此外，通过使用波长范围在200至700nm且不易被水吸收的激光束，抑制了热透镜的形成，且可以以更高的精确度更容易地把激光束引入管嘴的入口。因此，可以防止管嘴损坏，保证稳定的加工质量。

根据本发明的权利要求5，在根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工装置中，流体贮存腔在管嘴的轴向中的深度是2mm或更大，且在外周边上在管嘴的轴向中在其上游侧与互联通道连通。

根据这些特征，由于流体贮存腔在管嘴的轴向中的深度被保持在2mm或更大，且流体贮存腔的外周边在管嘴的轴向中在其上游侧与互联通道连通，因此在流体贮存腔的深度的方向上降低了射流的流速，且在流体贮存腔中在管嘴的上游，射流维持在更稳定的层流状态中。

因此，可以从管嘴喷射出表面不易受到扰动且没有波动的射流柱，并且可以提高引入射流柱中的激光束的传播效率。

此外，由于流体贮存腔在管嘴的轴向中的深度被保持在2mm或更大，激光束引导窗和光学系统器件，例如透镜，可以在管嘴的入口处远离激光束的焦点。因此，可以避免光学系统器件的热变形等，以保证稳定的光学性能，提高耐久性以保证稳定的加工质量。

根据本发明的权利要求6，在根据权利要求1至5中任一项所述的激光加工装置中，其中当射流是水时，流体供给装置包括提高射流的均匀性的处理装置，所述射流用作激光束的传播介质。

根据这些特征，例如，通过处理装置除去作为杂质存在于射流中的溶解气体和颗粒以及引起离子发光的离子，从而作为激光束的传播介质的射流柱可以具有类似玻璃的提高的均匀性。

因此，可以从管嘴喷射出稳定的射流柱，并且可以提高引入射流柱中的激光束的传播效率。

根据本发明的权利要求7，在根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工装置中，所述激光加工装置进一步包括用于沿着射流柱引入辅助气体的辅助气体供给装置，所述辅助气体供给装置包括设置在管嘴的下游且用于容纳射流柱的气体供给腔和用于把辅助气体引入气体供给腔的引导通道，所述引导通道是使辅助气体沿着射流柱的外周边螺旋形流动的螺旋形引导通道，或者是逐渐接近射流柱的轴线的圆锥形引导通道。

根据这些特征，沿着射流柱引入辅助气体，从而辅助气体可以被朝向射流柱的外周边引导而不引起作用在射流柱上的偏置力。因此，可以从管嘴喷射出表面不易受到扰动且没有波动的射流柱，并且可以提高引入射流柱中的激光束的传播效率。

此外，通过有效地除去聚集在工件的上表面上、在加工时不必要的射流，以及除去加工时从所述表面飞溅回来的射流，可以提高可加工性。

根据本发明的权利要求8，在根据权利要求1至7中任一项所述的激光加工装置中，所述流体贮存腔具有比互联通道的空腔更大的体积。

根据这一特征，从互联通道的空腔供给的射流流入具有较大体积的流体贮存腔中。因此，流体贮存腔中的射流的流速被降低，且可以在流体贮存腔中更容易地产生层流状态。因此，可以从管嘴喷射出稳定的射流柱，并且可以提高引入射流柱中的激光束的传播效率。

根据本发明的权利要求9，在根据权利要求1至8中任一项所述的激光加工装置中，用于从流体供给装置引入射流的引导管连接到分配通道，且互联通道和分配通道之间的连通部分设置在偏离所述引导管的轴线的位置。

根据这些特征，由于互联通道和分配通道之间的连通部分设置在偏离所述引导管的轴线的位置，可以避免从引导管引入分配通道中的射流直接流入互联通道中。因此，来自分配通道的射流可以围绕管嘴轴从各个方向均匀地供给到互联通道，并且可以更容易地在流体贮存腔中产生射流的层流状态。

根据本发明的权利要求10，在根据权利要求1至9中任一项所述的激光加工装置中，互联通道的外周表面和流体贮存腔的外周表面形成没有水平差的连续表面。

根据这一特征，在沿着共面表面(即与互联通道的外周表面没有水平差且与其连续形成的流体贮存腔的外周表面)移动之后，沿着互联通道的外周表面移动的射流流入流体贮存腔中。因此，从互联通道向流体贮存腔的射流的流动可以更平滑，且可以更容易地在流体贮存腔中产生射流的层流状态。

根据本发明的权利要求11，在根据权利要求1至10中任一项所述的激光加工装置中，在管嘴的轴向中，流体贮存腔的深度是管嘴直径的20倍或更大。

根据这一特征，相对于从管嘴喷射出的射流的流速，可以在流体贮存腔中获得足够的流通面积。因此，可以充分降低流体贮存腔中的流速，并且可以容易地产生没有扰动的液体流动。

根据本发明的利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置可以提高激光束的传播效率，且可以保证稳定的加工质量。

附图说明

图1所示侧视截面图显示了根据本发明的实施例的激光加工装置的整体结构。

图2是局部放大图，用于解释用于本发明的实施例中的光学器件的另一个例子，该视图显示了未设置激光束引导窗的情况。

图3所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的形状。

图4是沿着图1中的线A-A的截面图，该视图显示了根据本发明的实施例的辅助气体供给装置中的螺旋形引导通道的结构。

图5所示侧视截面图显示了根据辅助气体供给装置的另一个例子的圆锥形引导通道的结构。

图6是沿着轴向方向剖开的根据所述实施例的层流形成通道的轴向的截面图。

图7是曲线图，显示了在管嘴的轴线G的方向中，深度(高度H，即引导窗和管嘴之间的距离)和激光束的传播效率之间的关系。

图8是曲线图，显示了当绿色激光通过水的流体柱时，相对于流体贮存腔的高度H的绿色激光的传播效率。

图9所示示意图显示了根据本发明的实施例的围绕管嘴的流体贮存腔(流体供给通道)的结构。

图10显示了流体贮存腔的模型，所述模型用于计算根据本发明的实施例的流体贮存腔中的流速分布。

图11显示了流体供给通道的模型，所述模型用于计算已知结构的流体供给通道中的流速分布。

图12利用矢量显示了流体贮存腔中的每一点处的流速。

图13显示了流体贮存腔中的空间，该空间被分隔为每个区域中的流速基本相同的区域。

图14利用矢量显示了流体供给通道中的每一点处的流速。

图15显示了流体供给通道中的空间，该空间被分隔为每个区域中的流速基本相同的区域。

图16显示了在表示根据所述实施例的流体贮存腔的模型中的湍流能量分布的仿真结果。

图17显示了在表示已知结构的流体供给通道的模型中的湍流能量分布的仿真结果。

图18显示了在表示根据所述实施例的流体贮存腔结构的模型中的流体运动。

图19显示了在表示已知结构的流体供给通道的模型中的流体运动。

图20A和20B所示示意图显示了在管嘴上被激光束照射的圆锥形区域。

图21是曲线图，显示了在输出P＝10(W)的情况下，由吸收激光束引起的水的温升ΔT相对于与点A的距离d的图示。

图22显示了当与点A的距离d被设置为4mm时，圆锥形区域中的水的温升ΔT相对于IR激光和绿色激光的输出P。

图23所示侧视图显示了根据本发明的实施例的加工头的第一实例的结构。

图24A所示局部侧面截面图显示了根据本发明的实施例的加工头的第二实例中的围绕管嘴的结构，图24B显示了在图24A的结构中设置了密封部件的情况。

图25所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的第一变化例的形状。

图26所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的第二变化例的形状。

图27所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的第三变化例的形状。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述根据本发明的实施例的激光加工装置。

在此处提到的附图中，图1所示侧视截面图显示了根据本发明的实施例的激光加工装置的整体结构。图2是局部放大图，用于解释用于本发明的实施例中的光学器件的另一个例子，该视图显示了未设置激光束引导窗的情况。图3所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的形状。图4是沿着图1中的线A-A的截面图，该视图显示了根据本发明的实施例的辅助气体供给装置中的螺旋形引导通道的结构。图5所示侧视截面图显示了根据辅助气体供给装置的另一个例子的圆锥形引导通道的结构。

在下面的描述中，假定图1中的竖直(上下)方向是实施例中的激光加工装置1的竖直方向。但是，加工头4的方向不只限于竖直方向，加工头4可以相对于竖直方向倾斜。

如图1所示，根据本发明的实施例的激光加工装置1包括用于产生激光束L(即绿色激光)的绿色激光振荡器2，设置有用于向工件W喷射作为射流的高压水的管嘴3的加工头4，用于将激光束L引入管嘴3的光学器件5，用于向管嘴3供给高压水的流体供给单元6，邻近管嘴3的上游设置且在层流状态下向管嘴3供给高压水的层流形成通道8，用于提高作为激光束L的传播介质的射流的均匀性的处理装置9，以及用于沿着射流柱F引入辅助气体AS的辅助气体供给装置11。

通过这样的结构，通过移动单元(未显示)来移动台面T或加工头4，同时照射引入到射流柱(水射流)F中的激光束L，对工件W执行激光加工，所述射流柱从管嘴3喷出。

如图1所示，绿色激光振荡器2产生作为激光束L的绿色激光。该激光束L从绿色激光振荡器2引入光纤缆21中，且从加工头4的顶部朝设置在加工头4的较低部分中的管嘴3聚集。

绿色激光是二次谐波(SHG)YAG激光，具有532nm的波长。与YAG激光(波长为1064nm)和CO₂激光(波长为10.6μm)不同，绿色激光具有在水中的透射率更高的特性。因此，当用成本更低容易获得的水作为射流时，可以提高激光束L的传播效率。此外，由于绿色激光不易被水吸收，抑制了热透镜的产生，且可以以更高的准确度更容易地将激光束L引入管嘴3的入口31中。因此，可以避免损坏管嘴3被损坏，且可以保证稳定的加工质量。

加工头4包括基本为圆柱形的壳体41，设置在壳体41内位于其上部的光学器件5，设置在所述光学器件5下面的层流形成通道8，设置在层流形成通道8下面的管嘴3，以及设置在管嘴3下面的辅助气体供给装置11。

从壳体41的顶部向下发射的激光束L被光学器件5朝管嘴3的入口31聚集，且被引入从管嘴3喷出的射流柱F中。此外，在重复的内部全反射的同时，激光束L被引导通过射流柱F，然后照射到工件W。

光学器件5包括用于将从壳体41的顶部发射的激光束L转化为平行光束的准直仪透镜(collimator lens)51，用于把被准直仪透镜51转化的平行光束朝管嘴3的入口31聚集的聚光透镜52，以及在层流形成通道8上面(具体地，流体贮存腔83)邻近设置且把激光束L引入层流形成通道8中的引导窗53。

虽然在此实施例中，如图1所示，激光束L的引导窗53设置在流体贮存腔83上面，本发明不限于这样的结构。与图1所示的引导窗53不同，聚光透镜52’可以设置在引导窗53的位置(见图2)。

流体供给单元6包括用于从供水箱(未显示)吸水和提高水压的高压水泵61，以及在提高的高压下向层流形成通道8供水的高压管62。

此外，高压水泵61采用伺服驱动泵，伺服驱动泵构造成与伺服电机和滚珠丝杠副共同作用，通过检测泵的传递压力并执行反馈控制从而保持传递压力的恒定来以恒定的流速压出水。

通过这样的机构，可以产生并向层流形成通道8供给稳定的高压水流。

层流形成通道8包括形成为空腔以围绕管嘴3的轴线G环形分配高压水(即从流体供给单元6供给的射流)的分配通道81，与分配通道81相连通在管嘴轴G的方向中设置在其下游侧且形成为环绕管嘴轴G的环形空腔的互联通道82，所述环形空腔提供比分配通道81更窄的流动通道，以及在管嘴轴G的方向中邻近管嘴3的上游设置、用来将供给到管嘴3的高压水储存的流体贮存腔83。

互联通道82和流体贮存腔83在流体贮存腔83的外周边83a上在环形互联通道82的整个圆周上彼此连通。

在此实施例中，在管嘴轴G的方向中，互联通道82与分配通道81在其上游侧相连通，且互联通道82被形成为提供在管嘴轴G的方向中下游侧的直径小于上游侧的直径的圆锥形通道。此外，流体贮存腔83为反向截头圆锥形，其在管嘴轴G的方向中在下游侧的直径小于在上游侧的直径。

此外，互联通道82的外周表面82a和流体贮存腔83的外周表面83b定位成在同一平面上没有水平差地连续延伸。此外，外周表面82a和83b延伸的方向相对于管嘴轴G的方向向内(朝管嘴侧)倾斜。

通过这样的结构，储存在分配通道81中的高压水沿着外周表面83b的斜面从互联通道82引入到流体贮存腔83中。因此，恰当地控制了流体的流动，从而高压水被储存在流体贮存腔83中且在稳定的层流状态下被供给到管嘴3。

流体贮存腔83在管嘴轴G的方向中的深度(高度H)为3mm，且在管嘴轴G的方向中在其上游侧在外周边83a上与互联通道82相连通。

流体贮存腔83在管嘴轴G的方向中的深度(高度H)优选为2mm或更大。如后面将详细描述的，流体贮存腔83的深度越大，射流在流体贮存腔83中的速度越低。因此，提高流体贮存腔83的深度有利于在管嘴3上面的流体贮存腔83的部分中形成层流。此外，通过提高流体贮存腔83的深度，激光束在被聚焦到小点之前就通过引导窗53。这有效地降低了通过引导窗53的激光束的能量密度，且有效地保护了引导窗53。因此，考虑到可用空间和所要求的响应的限制，必要地，流体贮存腔83在管嘴轴G的方向中的深度(高度H)优选地设置在2至40mm的范围内。

根据所述实施例的层流形成通道的具体形状

下面将更加详细描述根据所述实施例的层流形成通道8的优选形状。

图6是沿着轴线G的方向的根据所述实施例的层流形成通道8的截面图。层流形成通道8的形状使由高压泵供给的高压水可以临时储存在流体贮存腔83中，以产生层流状态同时抑制漩涡等的产生，并且可以从管嘴3喷出没有表面扰动的射流柱F。

更具体地，如图6的截面图所示，层流形成通道8的分配通道81形成为环形空间，该环形空间具有基本为矩形的截面，且被外周壁表面114和内周壁表面116限定，引导管112连接到外周壁表面114以从高压泵引入水，内周壁表面116与外周壁表面114相对设置。外周壁表面114在轴线G的方向中的尺寸h设置为大于引导管112的直径c。此外，引导管112在轴线G的方向中在上游侧的位置连接到外周壁表面114。内周壁表面116设置为与引导管112的轴M相交关系。

在此，优选地，分配通道81被形成为其截面积使水在分配通道81中的流速保持其在互联通道82中的流速的1/2至1/10，从而分配通道81中的水从各个方向被引入流体贮存腔83中。

设置互联通道82使其上游侧连通端口118在管嘴轴G的方向中在其下游侧连接到分配通道81的内周壁表面116。通过这样的结构，互联通道82的连通端口118与水引导管112的轴线M偏离。此外，互联通道82被形成为从分配通道81向流体贮存腔83延伸，同时在轴线G的方向中向内和向下游倾斜，从而在分配通道81和流体贮存腔83之间限定了狭窄的通道以使流动通道变窄。

互联通道82在其下游环形端处的直径D的设置考虑了加工头4的尺寸和激光加工装置1的能力等，其可以设置为例如10mm至40mm。

此外，根据加工头4的形状和尺寸以及可用空间的自由度等，可以恰当地选择互联通道82的长度p。由于互联通道82的内外周表面具有抑制在来自分配通道81的水流中产生漩涡的作用，优选地，互联通道82的长度p设置为可以有效地强化这种作用。在实际中，长度p优选地设置为互联通道82的内外周表面之间的间隙尺寸s的大约1到20倍。

无论互联通道82的间隙尺寸s设置为何值，如果连接到流体贮存腔83的互联通道82的直径D和流出管嘴3的流体的速率Q都保持恒定，则雷诺数将不变。相应地，互联通道82的间隙尺寸s的设置可以考虑各种条件，例如分配通道81的尺寸和供给水的压力，从而水可以从各个方向从分配通道81引入流体贮存腔83中。间隙尺寸s通常设置为0.3mm至2mm。

如上所述，流体贮存腔83在轴线G的方向中的深度设置为大于专利文件1中描述的已知结构的深度，例如在实际中，其优选地设置为2mm或更大。此外，流体贮存腔83的体积设置为大于互联通道82的体积。

在具有如上所述的结构的层流形成通道8中，当由高压泵通过引导管112供给水时，水朝内周壁表面116前进同时在分配通道81的整个圆周上分散。由于内周壁表面116设置为与引导管112的轴线M相交，且互联通道82设置为不与该轴线M相交，因此防止由高压泵供给的水直接进入互联通道82而是首先在分配通道81的整个圆周上分布。相应地，通过引导管112供给的高压水的力在分配通道81中被衰减。

来自分配通道81的水从各个方向流入互联通道82中。互联通道82不仅具有抑制互联通道82内外周表面的漩涡(由于高压泵的操作而产生于分配通道81的水流中)的功能，还具有从各个方向以分配的方式向流体贮存腔83供给水的功能。

已经流入互联通道82中的水流入流体贮存腔83。如上所述，流体贮存腔83用于在其中储存水，以及主要通过设定增大的深度尺寸来降低流速从而把水流控制在层流状态下。

通过上述步骤，从管嘴3喷出的射流柱F在其表面不易受到扰动，且没有波动。相应地，还降低了引入射流柱F的激光束L的传播效率的损失。

此外，如图5所示，管嘴3具有类似盘状的形状，且包括形成在其上表面上的入口31，激光束L朝该开口31聚集。在开口31下面，喷射口32被形成为具有向下逐渐增大的直径。激光束L被引入从喷射口32喷出的射流柱F中，然后照射到工件W。

处理装置9用于除去以杂质存在于射流(即水)中的溶解气体和颗粒，以及引起离子发光的离子。例如，处理装置9可以由水处理装置91(包括除气装置和离子交换树脂，ion exchange resin)和高压过滤器92构成。

如图1所示，辅助气体供给装置11包括用于调节辅助气体AS的压力的空气控制器11a，设置在管嘴3的下游且形成为容纳射流柱F的气体供给腔11b，用于将辅助气体AS引入气体供给腔11b的螺旋形引导通道11c。

如图4所示，螺旋形引导通道11c形成为将辅助气体AS引入到偏离射流柱F的轴线方向的位置，从而辅助气体AS沿着射流柱F的外周边螺旋形流动。

作为引导通道的另一个例子，如图5所示，引导通道可以构造为圆锥形引导通道11e，其形成为向下倾斜同时逐渐接近容纳在气体供给腔11d中的射流柱F的轴线。此外，圆锥形引导通道11e具有分配通道11f，分配通道11f形成为围绕气体供给腔11d的环形，且用于分配辅助气体AS。辅助气体AS从分配通道11f供给，以逐渐接近射流柱F的轴线并向下流动。

下面将主要参考附图3来描述根据所述实施例的如此构造的激光加工装置1的运行和工作优点。

在激光加工装置1中，如图1所示，设置用于在层流状态下向管嘴3供给高压水的层流形成通道8，以在管嘴3的上游产生处于稳定层流状态(即具有小雷诺数的状态)的水流，从而从喷嘴3喷出表面不易受到扰动且没有波动的射流柱F。

更具体地，如图3所示，供给的高压水被分配通道81绕管嘴轴G(如箭头R1和R2所示)环形分配。这里，分配通道81的截面积设置为充分大于水供给通道(引导管112)的截面积，高压水通过水供给通道被引入分配通道81中。因此，当引入的高压水流入分配通道81中时，高压水的流速被充分降低，以除去产生在流入分配通道81中的水上的扰动。此外，高压水流过形成为环形且具有比分配通道81更窄的流动通道的互联通道。因此，引入流体贮存腔83的高压水处于湍流被抑制的状态。

此外，由于流体贮存腔83的外周边83a在外周表面83b上与环形互联通道82在其整个圆周上相连通，高压水从互联通道82的整个圆周均匀地引入流体贮存腔83的外周边83a(如箭头R3所示)。在此，流体贮存腔83的高度H设置为大于互联通道82的高度。相应地，当高压水从互联通道82流入流体贮存腔83中时，高压水的流动通道的截面积增大，从而高压水的流速降低，且高压水在流体贮存腔83中保持在稳定的层流状态中。

这样，通过设置在管嘴3的上游产生稳定的层流状态的流体贮存腔83，可以从喷嘴3喷出表面不易受到扰动且没有波动的射流柱F。因此，可以提高引入射流柱F中的激光束L的传播效率。

实施例中绿色激光的传播效率

下面将参考图7和8描述通过流体贮存腔83的激光束L的传播效率。图7为曲线图，显示了当19W和24W的激光束被引入具有不同深度(高度H，即引导窗和管嘴之间的距离)的流体贮存腔中时，发射的激光束的输出。图8为曲线图，显示了当的激光束通过具有不同深度(高度H，即引导窗和管嘴之间的距离)的流体贮存腔时，激光束的传播效率。

图7显示了在管嘴直径φ为100μm、喷射压力为10MPa、激光束L的频率为10kHz的情况下，激光束L的输出与引导窗-管嘴距离之间的关系。在图7中，竖直轴表示激光束的输出(在管嘴3以下20mm的位置测得)，水平轴表示引导窗-管嘴距离。

如图7所示，当引导窗-管嘴距离设置为3mm时，在输入为24W时，可以获得大约为17.2W的输出。引导窗-管嘴距离增大时，输出逐渐增加。并且，当引导窗-管嘴距离设置为3mm时，在输入为19W时，可以获得大约为14.2W的输出。引导窗-管嘴距离增大时，输出逐渐增加。这些结果表明当引导窗-管嘴距离增大时，尽管入射激光束通过整个流体的距离增大，通过流体而引起的激光束的能量的降低被减小。

在此，激光束L的输出表示通过射流柱F传播的激光束L的传播效率。因此，激光束L的输出表示了射流柱F作为激光束的传播介质的适用程度。激光束L的高输出表明射流柱F处于更稳定的层流状态中。换言之，可以理解，通过将引导窗-管嘴距离设置为较大的值，可以形成并维持更稳定的层流状态。

因此，通过将流体贮存腔83在管嘴轴G的方向中的深度设置为3mm，即不小于2mm的值，在深度方向降低了高压水的流速，并且高压水在管嘴3的上游在流体贮存腔83中处于更稳定的层流状态中。

因此，可以从喷嘴3喷出表面不易受到扰动且没有波动的射流柱F，且可以提高引入射流柱F中的激光束L的传播效率(见图7)。

下面将参考图8描述利用绿色激光作为激光束的传播效率。

图8是曲线图，显示了当绿色激光通过水的射流柱时，相对于与管嘴入口的距离的绿色激光的传播效率。这里假定绿色激光的输出是24W，管嘴直径是100μm、水压是10MPa

如图8所示，当流体贮存腔的高度H增大时，绿色激光的传播效率增大。如上所述，当流体贮存腔的高度H较大时，由于激光束在流体中通过的距离逐渐增大，更大量的激光束被流体吸收，因此激光束的传播效率应该降低。但是，在实际中，传播效率却增大。推测其原因在于增大流体贮存腔的高度H降低了流体贮存腔和射流柱中的流动扰动。因此可以理解，在使用绿色激光的情况下，减小流动扰动所产生的效果增加且传播效率提高，直到流体贮存腔的高度H达到大约4mm，如图8所示。

另一方面，推测当流体贮存腔的高度H较小时激光束的传播效率被降低的原因不在于热透镜的影响，而在于当流体贮存腔的高度H减小时，管嘴入口上游的流动变得不稳定。换言之，当流体贮存腔的高度H降低时，在管嘴入口的上游区域中的水流变为湍流，这扰动了射流柱，并且不能理想地将激光束通过射流柱引入。

通过上述讨论可以看出，当用对水具有低热吸收率的绿色激光作为激光束时，热透镜的影响很小或基本可以忽略。相应地，在使用对水具有低热吸收率的激光束的情况下，无需像专利文件1中描述的装置那样，为了提高流体贮存腔中的流速而减小流体贮存腔的高度H以抑制热透镜的形成。相反，通过将流体贮存腔的高度H设置为较大的值，可以提高激光束的传播效率，从而降低流体贮存腔中的流速以抑制流体贮存腔和射流柱中的流动扰动。

因此，将引导窗-管嘴距离(流体贮存腔的高度H)设置为较大的值利于保护引导窗且利于在管嘴3的下游形成层流。但是，在实际中，考虑可用空间以及要求的响应的限制，根据需要，该较大的引导窗-管嘴距离优选地设置为2至40mm范围内的值，或者从管嘴直径的角度，设置为管嘴3的直径的20至400倍。

此外，通过将流体贮存腔83在管嘴3的轴向中的深度设置为3mm，即不小于2mm的值，可以使引导窗53等(在图2的例子中包括聚光透镜52)远离管嘴3的入口31处的激光聚焦点。相应地，可以避免引导窗53等产生热变形等，且可以保证稳定的光学性能。此外，可以提高耐久性，保证稳定的加工质量。

虽然在本实施例中，流体贮存腔83在管嘴3的轴向中的深度被设置为3mm，考虑管嘴直径，其也可以设置为管嘴直径的20倍或更大。其原因是当具有较大的管嘴直径时，由于从管嘴3喷出的高压水的流速提高，通过将流体贮存腔83在管嘴3的轴向中的深度设置为较大的值，可以更容易形成稳定的层流状态。例如，当管嘴直径φ为150μm时，流体贮存腔83在管嘴3的轴向中的深度优选地设置为3mm或更大，例如4至5mm。

实施例中流体贮存腔的高度与流体贮存腔中的流体流速之间的关 系

下面，通过参考附图9，比较在根据本实施例的流体贮存腔83中，沿着激光束L照射到的外周表面的区域(空间)的流速和在已知结构的流体供给通道中，沿着激光束L照射到的外周表面的区域(空间)的流速。

图9所示示意图显示了围绕管嘴的流体贮存腔(流体供给通道)的结构。在图9中，在流体贮存腔120中激光束L被照射的区域U设置为引导窗122和管嘴124的入口126之间的截头圆锥。在分别使用根据本实施例的流体贮存腔83和使用专利文件1中描述的装置中的流体供给通道的情况下，计算并比较沿着截头圆锥形的区域U的外周表面(侧表面)通过的流体的平均流速。

在根据本实施例的流体贮存腔83中，流体贮存腔83在管嘴轴G的方向中的深度(高度)H被假定为H＝2mm，即深度尺寸的优选范围中的最小值。此外，假定专利文件1中描述的已知结构的流体供给通道的高度H＝0.5mm。两种情况下的其他条件设置为共同的值。更具体地，用水作为射流，管嘴直径设置为150μm，供水压力设置为80bar(8MPa)。截头圆锥形区域U的侧表面相对于轴的角度θ在这里被设置为10°，因为该角度通常被设置为约10°从而激光束在水柱内被全反射且可以获得小于管嘴直径的激光束聚焦直径。

在上述条件下，根据如下公式1，获得1700mm³/s的水流速Q。

$Q=\frac{0.685\×\sqrt{P\·10.2}\·d^2}{n^2}$ (n＝雷诺数＝1.14)(公式1)

此外，通过下述公式2获得截头圆锥形区域U的侧表面积A。在公式2中，r是截头圆锥形区域U的顶圆表面的半径，其等于管嘴的半径，即r＝75μm。R是截头圆锥形区域U的底圆表面的半径，其表示为R＝H·tanθ。此外，L是沿着截头圆锥形区域U的侧表面的长度，其表示为L＝H/cosθ。

A＝π(R+r)L            (公式2)

相应地，由于根据Q/A来计算在流体贮存腔83中沿着截头圆锥形区域U的外周表面(侧表面)通过的流体的平均流速，通过以下公式(3)获得使用根据本实施例的流体贮存腔83时的平均流速V1与在专利文件1中描述的装置中的平均流速V2之间的比值R。

$R=\frac{Q/A\′}{Q/A}=\frac{Q/\mathrm{\π}(R\′+r\′)l\′}{Q/\mathrm{\π}(R+r)l}=\frac{Q/\mathrm{\π}(H\′\tan \mathrm{\θ}+r\′)\·H\′/\cos \mathrm{\θ}}{Q/\mathrm{\π}(H\tan \mathrm{\θ}+r)\·H/\cos \mathrm{\θ}}$     (公式3)

根据前述公式，比值R可以确定为R＝1/10.5。此外，在根据本实施例的流体贮存腔83中，计算得到的平均流速为623.3mm/sec，在专利文件1中描述的装置中，计算得到的平均流速为6542mm/sec。因此可以理解，本实施例的激光加工装置中的平均流速远远低于已知装置中的平均流速。

换言之，当使用根据本实施例的流体贮存腔83时，流体贮存腔83中的水的流速是已知结构的流体供给通道中的流速的大约1/10。此外，根据需要，当根据本实施例的流体贮存腔83的深度被设置为更优选的值，例如4mm时，平均流速被进一步降低，平均流速的比值R被确定大约为1/38。

通过上面的描述显而易见，通过将流体贮存腔83在轴线G的方向中的深度设置为较大值，具体地，不小于2mm的值，更有选地，不小于4mm，与使用已知结构的流体供给通道相比，流体贮存腔83中的水的流速可以被显著降低。如上所述，以这种方式使水在流体贮存腔83中流动从而降低其中的流速可以有效地在管嘴3的上游的水中产生稳定的层流状态。

更具体地，专利文件1中描述的装置具有流体供给通道的深度被设置为较小值以增大流体供给通道中的水流速度的结构，其关注点主要集中在抑制截头圆锥形区域U中的热透镜的形成。因此，流体供给通道中的水易于变为湍流，这扰动了射流柱。相应地，虽然抑制了热透镜的形成，但是不能令人满意地提高激光束的传播效率。相反，在根据本实施例的流体贮存腔83中，通过将流体贮存腔83的深度设置为较大值，水可以以降低在流体贮存腔83中的流速的方式流过流体贮存腔83，从而可以产生稳定的层流状态。因此，可以形成没有扰动的射流柱F，且可以提高激光束的传播效率。

根据本实施例的流体贮存腔中水的雷诺数

下面，参考图9中显示的示例性结构比较根据本实施例的流体贮存腔83内侧的截头圆锥形区域U中的水的雷诺数和已知结构的流体供给通道内侧的截头圆锥形区域U中的水的雷诺数。

在图9的示意图中，对于根据本实施例的流体贮存腔83的结构，深度H设置为2mm和4mm，对于专利文件1中描述的装置的已知结构，深度H设置为0.5mm，以此来计算雷诺数。

雷诺数通过以下公式4表示，其中V是平均流速，L是沿着图9中显示的截头圆锥形区域U的外周表面的管嘴和引导窗之间的长度，v是20℃时水的动态粘性系数。平均流速V通过利用公式3计算的值获得。更具体地，在根据本实施例的流体贮存腔83中，在深度H＝2mm的情况下，平均流速V是0.623m/s，在深度H＝4mm的情况下，平均流速V是0.171m/s。并且在已知结构的流体供给通道中，在深度H＝0.5mm的情况下，平均流速V是6.542m/s。此外，水的动态粘性系数v设定为1.01×10^-6m²/s。

$\mathrm{Re}=\frac{V\·L}{v}$       (公式4)

在各种情况下根据公式4计算的雷诺数Re为：在深度H＝2mm的情况下，Re＝1252；在深度H＝4mm的情况下，Re＝688；在深度H＝0.5mm的情况下，Re＝3288。这里，在被管嘴3和引导窗53的平行平面以及加工头4围绕的结构中，可以认为湍流和层流之间的边界处的最小临界雷诺数(critical Reynolds number)可以与被平行壁限定的流动中的最小管线的最小临界雷诺数相比，即可以假定其为Re＝1000。因此，可以理解在已知结构的流体供给通道中，取值为3288的雷诺数大大超过了最小临界雷诺数，并且流体供给通道的内部处于易于引起湍流的状态。

虽然在深度H＝2mm的情况下，雷诺数Re也超过了最小临界雷诺数，但是该雷诺数表示当管嘴直径设置为150μm时的值。当管嘴直径被设置为较小值时，流过管嘴的流体的流速被降低，因此雷诺数Re也被降低。因此，当使用具有较小直径的管嘴时，即使在深度H＝2mm的情况下，也可以产生不引起湍流的状态。相应地，根据设定值，例如采用的管嘴的直径，需要恰当地设置深度尺寸。另一方面，在深度H＝4mm或更大的情况下，可以使用的不引起湍流的管嘴直径的范围增大。因此，在流体贮存腔83的设计中，通过设定深度H＝4mm或更大，加工头可以具有更广的通用性。

根据本实施例的流体贮存腔中的流体流速分布

如上所述，在本实施例的激光加工装置中，流体贮存腔83中的平均流速远低于专利文件1中描述的装置中的平均流速。

利用基于数值计算的流体仿真，更详细地比较了根据本实施例的流体贮存腔83中的流速分布和已知结构的流体供给通道中的流速分布。注意到专利文件1中描述的已知结构的流体供给通道与根据本实施例的流体贮存腔83的显著区别在于流体供给通道在管嘴的轴向中的深度小于根据本实施例的流体贮存腔83的深度。

图10显示了流体贮存腔83的模型100，其用于计算根据本实施例的流体贮存腔83中的流速分布。模型100基本形成为圆柱形，直径为10mm，高4mm，对应于管嘴3，在模型100的底面的中央形成直径为100μm的孔102。流体以6.25mm/s的速度从模型100的外周表面均匀地流入模型100，并以100m/s的速度从孔102均匀地流出，在此条件下执行流速分布的仿真。

另一方面，图11显示了流体供给通道的模型104，其用于计算已知结构的流体供给通道中的流速分布。模型104基本形成为圆柱形，直径为10mm，高0.5mm，对应于管嘴，在模型104的底面的中央形成直径为100μm的孔106。设定从模型104的外周表面流入的速度为以50mm/s，从而流体从孔106流出的速度变为100m/s，即与本实施例中的计算条件相同的值，通过上述设定执行流速分布的仿真。

图12和13显示了当采用表示根据本实施例的流体贮存腔的模型100时的水流速度分布的仿真结果。图14和15显示了当采用表示专利文件1中描述的流体供给腔的模型104时的水流速度分布的仿真结果。在这些附图中，图12和14分别表示在沿着两个模型中的孔轴剖开的截面中的流速分布。在图12和14中，模型100和104中的每一点的流速由从该点延伸的矢量的方向和大小表示。较长的矢量长度表示较大的流速。图13和15不仅显示了流体贮存腔和流体供给通道中的流体的流线，还显示了在流速基本相同的每个粗略分隔的区域中的流速分布。在图13和15中，区域I表示流速大约为0.125m/sec或更低的区域，区域II表示流速大约为0.125至0.25m/sec的区域，区域III表示流速大约为0.25至0.75m/sec的区域。区域IV表示流速大约为0.75至0.875m/sec的区域，区域V表示流速大约为0.875m/sec或更高的区域。注意到在图15中，流速大约为0.25m/sec或更低的区域(即区域I和II)几乎没有出现。

如图12和13所示，在表示本实施例的模型100中，除了孔102附近，水的运动小，而且水的流速也小。此外，在孔102以上的大区域中，流速很小。

另一方面，如图14和15所示，在表示专利文件1中描述的流体供给通道的模型104中，在整个流体供给通道中，水的流速大于模型100中的流速。特别地，已证明在孔106以上的区域中，直到流体供给通道的上端，流速都较大。此外，水流从远离孔106的外周边侧面朝位于中心的孔106在垂直于孔106的轴向的方向中流动，且在孔106上方流动方向突然改变，从垂直于孔106的轴向的方向变为朝向孔106的轴向。

根据上面的描述，可以理解在根据本实施例的流体贮存腔83中，通过将对应于每个模型100和104的圆柱体的高度(即流体贮存腔(流体供给通道)在管嘴3的轴线G的方向中的深度)设置为比已知结构中的高度更大，与已知结构中的流速相比，水可以在流体贮存腔83中以降低的流速流过流体贮存腔83。因此，可以在管嘴3的上游流体贮存腔83中形成层流状态，且可以有效地避免在从管嘴3喷出的射流柱F的表面产生扰动。

根据本实施例的流体贮存腔中的流体的湍流能量分布

下面，比较根据本实施例的流体贮存腔83中的湍流能量和专利文件1中描述的已知结构的流体供给通道中的湍流能量。这里，术语“湍流能量”是指通过把湍流各个方向中的波动速度分量的平方和的时间平均值除以2而计算得到的值，即流动湍流的程度。

根据图10和11中显示的每个上述模型100和104，利用数值流体仿真，在距离孔102和106所在的表面0.01mm的位置处计算垂直于圆柱体轴线的平面内的湍流能量分布。

图16显示了表示根据本实施例的流体贮存腔83的模型100中的湍流能量分布的仿真结果，图17显示了表示已知结构的流体供给通道的模型104中的湍流能量分布的仿真结果。在图16和17中，湍流能量的值按照区域XI、XII、XIII、XIV和XV的顺序增大。

如图16所示，除了孔102的附近，模型100中的湍流能量基本上在整个区域均匀地具有较低值，湍流能量相对较高的区域基本上对称地出现在孔102附近的圆形中。

另一方面，如图17所示，模型104中的湍流能量值在孔106周围很大的区域中都比图16中的湍流能量值高，并且湍流能量的分布表现为非对称。换言之，模型104中的流动不均匀，且产生了非均匀流动(扰动)，例如缠结(entanglement)。

根据上面的描述，可以理解在表示根据本实施例的流体贮存腔83的模型100中，通过将流体贮存腔83的高度H(即流体贮存腔83在管嘴3的轴G的方向中的深度)设置为比已知结构中的高度更大的值，可以产生在垂直于流体贮存腔83的轴线G的方向中均匀且湍流较少的流体流动。

此外，如图10和11所示，模型100和104的各自流动场中的湍流能量的最大值为：在模型100中是124m²/s²(如图10所示)，在模型104中是307m²/s²(如图11所示)。通过这些最大值，可以理解对应于模型100的根据本实施例的流体贮存腔83的结构可以比对应于模型104的已知结构更有效地抑制湍流的产生。

实施例中管嘴附近的水的运动路径

下面基于实验比较本实施例中管嘴附近的水的运动路径和已知结构中的管嘴附近的水的运动路径。

为了真实地证实图12至17中显示的上述仿真结果，制造了与图10和11中所示的模型类似的真实模型。混合有作为观测颗粒的颜料颗粒的水被提供以流过所制造的模型，并且通过高速视频相机拍摄颜料颗粒的图像。此时，对应于管嘴的孔的直径设置为200μm，水的喷射压力设置为2MPa，颜料颗粒的直径设置为20至60μm。此外，高速视频相机的拍摄条件设置为所述视频相机是Photoron公司的FASTCAM-MAX型120k，对于图10中的模型，拍摄帧数是6000fps，对于图11中的模型，拍摄帧数是4000fps。

图18显示了拍摄图10所示的真实模型中的水的运动所获得的图像，该模型表示根据本实施例的流体贮存腔83的结构，图19显示了图11所示的真实模型中的水的运动，该模型表示已知结构的流体供给通道。应注意，在图18和19中，观测颗粒的运动路径由在不同时刻拍摄的观测颗粒的叠加图像表示。

如图18所示，在表示根据本实施例的流体贮存腔83的结构的模型中，观测颗粒从孔108上方朝孔108运动，同时画出由箭头表示的不受扰动的流线。

另一方面，如图19所示，在表示已知结构的模型中，观测颗粒朝孔110运动，同时转向，即引起漩涡。

观测颗粒的这些运动也与图16和17中显示的上述仿真结果一致。

通过上面的描述，可以理解在根据本实施例的流体贮存腔83的结构中，通过将在管嘴轴线G的方向中的深度设置得比已知结构中的深度大，可以防止水扰动产生漩涡，且水可以在均匀的流动中流入管嘴。

本实施例中激光束对水的热作用

下面将结合使用专利文件1的装置中所采用的波长为1064nm的基波和使用本实施例的激光加工装置中所采用的波长为532nm的二次谐波的情况来描述在水中传播的激光束对水的热作用。

首先在IR激光和绿色激光之间比较由于吸收激光束而引起的水的温度升高。

图20A所示示意图显示了管嘴3附近的区域。如图20A所示，激光束L被聚光透镜52聚集并穿过引导窗53。然后，激光束L继续穿过流体贮存腔83中的水，且聚焦在管嘴3的入口31上。相应地，被激光束L照射的流体贮存腔83中的水所在的区域N具有圆锥形状。因此，计算圆锥形区域N内的水的温度升高。

图20B所示示意图显示了被激光束L照射的圆锥形区域N。在图20B中，通过以下公式5来确定圆锥形区域N内的水的温度升高ΔT，其中圆锥形区域N的范围是从对应于圆锥形区域N的底面中心的点A到与点A相距距离d且对应于管嘴3的入口31的位置的顶点B。

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{P\α}}{\mathrm{\ρC}}\∫\frac{1}{S\left(r\right)}\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dr}}\mathrm{dr}=\∫\frac{\mathrm{P\α}}{\mathrm{\ρC}}\frac{2}{J{\tan }^2\mathrm{\θ}}\mathrm{dr}=\left[\frac{2\mathrm{P\α}}{\mathrm{\ρCJ\; t}{\mathrm{an}}^2\mathrm{\θ}}r\right]=\frac{2\mathrm{P\αd}}{\mathrm{\ρCJ}{\tan }^2\mathrm{\θ}}$    (公式5)

在公式5中，P是激光束的输出(W)，α是激光束对水的吸收系数(cm^-1)。对于IR激光，α_FM＝1.44×10^-1，对于绿色激光，α_SHG＝4.47×10^-4。此外，d是距离点A的距离(mm)，C是水的比热，即4.18(J/g·K)，ρ是水的密度，即1(g·cm^-3)，J是当管嘴直径为150μm且喷射压力为大约4MPa时水的流速，即1.7(cm³/sec)，θ是圆锥形区域N的外周表面相对于轴G的角度，即tanθ＝0.1，如图20A所示。

图21显示了在输出P＝10(W)的情况下，由于吸收激光束L而引起的水的温度升高ΔT相对于从点A到B的距离d的图表。如图21所示，当照射IR激光时，水温升高与距离d的增大成比例。当距离d为4mm时，温度升高ΔT是16.2℃。在另一方面，当照射绿色激光时，即使距离d增大，水温也几乎不升高。当距离d为4mm时，温度升高ΔT是0.05℃。在这种情况下，由于水的温度升高引起的折射率变化Δn在IR激光的情况下为Δn_FM＝1.3×10^-3，而在绿色激光的情况下为Δn_SHG＝-4×10^-6。因此可以理解，当使用绿色激光时，与使用IR激光的情况不同，折射率变化不大，而且几乎不会引起对于激光透射率的热作用。

当使用IR激光时，为了将温度升高降低到可以与绿色激光相比的程度，需要将从点A到B的距离d设置为大约13μm。但是，如果把从点A到B的距离d设置为这样小的值，如上所述，在流体贮存腔83中会产生流动扰动。这也证明使用绿色激光更利于使热作用最小化，同时可以形成没有扰动的射流柱。

因此，当使用绿色激光时，即使距离d被设置为4mm，水温也几乎不升高，而且相比使用IR激光的情况，可以更显著地抑制由于水的折射率变化(由温度升高引起)所引起热透镜的影响。此外，当使用绿色激光时，圆锥形区域N内的热作用很小，因此不需要将水的流速设置为较大值以防止水的温度升高。相应地，流体贮存腔83在轴线G的方向中的深度可以被设置为较大值，水的流速可以降低。因此可以使流体贮存腔83中的水维持在层流状态中，且在稳定的非扰动状态下喷出射流柱F。

下面描述当使用IR激光和绿色激光时，水温变化与输出的关系。

图22显示了当从点A到B的距离d被设置为4mm时，圆锥形区域N内的水温变化(升高)ΔT相对于IR激光和绿色激光的输出P的图表。这里假定管嘴直径是150μm，喷射压力是4MPa，激光束L的聚集角度θ是5.7°。如图22所示，当使用IR激光时，水的温度变化ΔT的增大与激光束L的输出P的增大成比例。另一方面，当使用绿色激光时，即使输出P增大，水的温度变化ΔT也几乎不增大。

根据上面的描述，可以理解不仅相对于距离d，而且相对于激光束的输出P，使用绿色激光都比使用IR激光更利于抑制热透镜的形成。

下面将参考附图23描述根据本发明的实施例的加工头的第一实例。图23所示侧视截面图显示了根据本发明的实施例的加工头的第一实例的结构。

应注意与图23中根据上述实施例的加工头4相同的部件由相同的附图标记表示，此处省略对这些部件的详细描述。

如图23所示，第一实例的加工头44包括用于恰当地定位激光束L的中心轴的对准机构45和用于在轴向调节激光束L的焦点高度的轴向调节机构46。

在加工头44中，壳体441包含具有弯曲曲柄形状的光学器件5，管嘴头442安装在壳体441的末端，通过轴向调节机构46。从加工头44的顶部向下发射的激光束L1被分光镜511水平反射。被水平反射的激光束L2被分光镜512平行于激光束L1再次向下反射。向下反射的激光束L3被聚光透镜53聚集以在管嘴3的入口31上聚焦。

分光镜511和512具有反射激光束L的功能，从而除了绿色附近之外的可见光通过该分光镜。CCD相机513设置在分光镜511后面(在图23中位于右侧)作为光源的LED灯514设置在分光镜512后面(图23中的上方)。

通过这样的结构，管嘴3的入口31可以被LED灯514照亮，且激光束L的聚焦位置可以被CCD相机513确定。

对准机构45包括设置在圆上彼此垂直的三个位置处的调节螺钉45a和用于固定分光镜512的弹簧45b。通过推拉调节螺钉45a可以调节分光镜512的角度。

通过这样的结构，通过利用调节螺钉45a来调节分光镜512的角度，激光束L的中心轴的位置可以与管嘴3的入口31对准，同时通过CCD相机513确定激光束L在管嘴3的入口31上的聚焦位置。

轴向调节机构46包括调节螺母46a、锁定螺母46b和锁定螺母46c，其中调节螺母46a用于固定旋到壳体441末端的管嘴头42，锁定螺母46b用于在调节螺母46a的上方固定旋到壳体441末端的调节螺母46a，锁定螺母46c用于在调节螺母46a的外周部分固定螺旋管嘴头442。弹簧46d和46e分别设置在锁定螺母46b和46c中，以在轴向中将锁定螺母46b和46c偏压从而消除反冲。

根据这样的结构，通过在锁定螺母46b和46c松开的状态下转动调节螺母46a，可以调节管嘴头442的轴向位置，从而激光束L的焦点的轴向高度可以与管嘴3的入口31对准。此外，由于管嘴头442被锁定螺母46b和46c牢固地固定，且反冲被弹簧46d和46e的设置而消除，可以获得抗震且抗冲击的耐久结构。相应地，激光束L可以被稳定有效地引入射流柱F中。

下面将参考附图24A和24B描述根据本发明的实施例的加工头的第二实例。图24A所示局部侧视截面图显示了根据本发明的实施例的加工头的第二实例中管嘴附近的结构，图24B显示了当在图24A的结构中设置了密封部件的情况。

应注意图24A和24B中与根据上述实施例的加工头4中相同的部件由相同的附图标记表示，此处省略对这些部件的详细描述。

如图24A和24B所示，第二实例中的每个加工头48和48’包括用于将相应的壳体445或446的中心轴对准管嘴的轴线G的对准机构49。

如图24A和24B所示，对准机构49构造为通过接合形成在管嘴侧面上的锥形部分491与形成在壳体侧面上的补充锥形部分492，壳体445或446的中心轴自动与管嘴的轴线G对准。此外，通过在每个壳体445和446上旋入管嘴盖30a，管嘴30和30’可以分别固定到壳体445和446上。

此外，如图24B所示，在加工头48’中，作为密封部件的O形环32设置在管嘴30’的外周表面上以增加密封性。

因此，通过提供具有上述结构的对准机构49，管嘴30和30’可以稳定地定位。当更换管嘴30和30’时，还可以解决每个管嘴30和30’的中心位置和垂直度偏离以及射流柱F不稳定的问题。

此外，通过提供用于将管嘴30和30’分别固定到壳体445和446上的管嘴盖30a，可以利于更换管嘴30和30’的操作。

下面将参考图25至27描述根据本发明的层流形成通道的变化例。图25所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的第一变化例的形状。图26所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的第二变化例的形状。图27所示透视图显示了根据本发明的实施例的层流形成通道的第三变化例的形状。

如图25所示，在第一变化例的层流形成通道200中，分配通道202的内周壁表面204形成为倾斜表面，该倾斜表面在轴线G的方向中向内且向下游倾斜。类似地，互联通道206的内周表面208也形成为在轴线G的方向中向内且向下游倾斜的倾斜表面。内周表面208和内周壁表面204在同一平面上形成连续表面。当高压水从高压泵通过引导管210被引入这种形状的层流形成通道200中时，水流入互联通道206中，同时被分配通道202的倾斜的内周壁表面204和互联通道206的倾斜的内周表面208引导。相应地，水可以平滑地流入层流形成通道200中，并且可以更有效地抑制湍流和漩涡的产生。

在图26中显示的第二变化例中，层流形成通道220的互联通道222的外周表面224和层流形成通道220的流体贮存腔226的外周表面228都是向内弯曲的弧形。因此，在第二变化例中，互联通道222的外周表面224和流体贮存腔226的外周表面228形成连续弯曲的表面。通过这种形状的层流形成通道220，水可以从互联通道222平滑地流入流体贮存腔226，并且可以更充分地抑制湍流和漩涡的产生。

在图27中显示的第三变化例中，层流形成通道240的分配通道242和流体贮存腔244被形成为均具有基本为矩形的截面形状。层流形成通道240的互联通道246被形成为在轴线G的方向中延伸，从而在轴线G的方向中位于下游侧的分配通道242的内部与在轴线G的方向中位于上游侧的流体贮存腔244的外部相连通。通过这种形状的层流形成通道240，已经流入分配通道242中的水撞击到分配通道242的内周壁表面248上，且在分配通道242的整个圆周上散布。当在轴线G的方向中改变向下的流动方向后，水沿着内周壁表面248前进，流入互联通道246中。此外，水沿着流体贮存腔244的外周壁表面250从互联通道246流入流体贮存腔244中。换言之，通过这种形状的层流形成通道240，由于水沿着分配通道242的内周壁表面248和流体贮存腔244的外周壁表面250运动，所以抑制了壁面上漩涡的产生。当由于结构的限制互联通道246不能构造得很长时，第三变化例的层流形成通道240特别有效。

另外，互联通道不只限于参考图3以及图25至27描述的上述形状，其可以具有任何期望的形状，只要该形状允许射流从流体贮存腔的整个圆周流入流体贮存腔中。

虽然上面描述了本发明的实施例，但是本发明不只限于上述实施例，可以根据需要以各种变化形式实施。

例如，虽然在实施例中使用绿色激光作为激光束L，但是本发明不限于使用绿色激光。具有较短波长且不易被水吸收的UV激光也可以作为激光束L。优选地，使用通过射流时的吸收系数为0.01cm^-1或更小的激光束。

此外，虽然在实施例中用水作为射流，但是本发明不限于使用水。例如不易吸收激光束L的硅油也可作为射流。此外，激光束L不限于绿色激光和UV激光，也可以使用CO₂激光和YAG激光。当用水作为射流时，优选地使用所发出的激光束不易被水吸收的激光。不易被水吸收的激光是，例如波长范围在200至700nm内的激光束。当使用不易吸收激光束的射流时，即使使用CO₂激光和YAG激光，也可以以满意的传播效率引入激光束。

Claims (11)

1、一种激光加工装置，包括用于产生激光束的激光振荡器，用于把射流喷射到工件的管嘴，以及用于向所述管嘴供给所述射流的流体供给装置，所述激光束被引入从所述管嘴喷射出的射流柱中，所述激光加工装置进一步包括：

用于在层流状态下向所述管嘴供给所述射流的层流形成通道，

所述层流形成通道包括：

由空腔形成的用于围绕所述管嘴的轴线环形分配所述射流的分配通道，所述射流从所述流体供给装置供给；

在所述管嘴的轴向中其下游侧处与所述分配通道相连通设置的互联通道，所述互联通道由围绕所述管嘴的轴线的环形空腔形成以提供比分配通道更窄的流动通道；以及

邻近所述管嘴的轴向中的管嘴的上游设置的流体贮存腔，所述流体贮存腔储存将供给到管嘴的射流，

所述流体贮存腔具有在所述互联通道的环形形状的整个圆周上与所述互联通道相连通的外周边。

2、根据权利要求1所述的激光加工装置，其中当所述激光束通过所述射流时，所述激光束的吸收系数是0.01cm^-1或更小。

3、根据权利要求2所述的激光加工装置，其中所述射流是水，且所述激光束是绿色激光或UV激光。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工装置，其中所述射流是水，且所述激光束的波长范围是200至700nm。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工装置，其中所述流体贮存腔在管嘴的轴向中的深度是2mm或更大，且所述流体贮存腔在外周边上在管嘴的轴向中的其上游侧与所述互联通道相连通。

6、根据权利要求1至5中任一项所述的激光加工装置，其中当所述射流是水时，所述流体供给装置包括用于提高作为所述激光束的传播介质的射流的均匀性的处理装置。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工装置，其中所述激光加工装置进一步包括用于沿着所述射流柱引入辅助气体的辅助气体供给装置，以及

其中所述辅助气体供给装置包括设置在管嘴的下游且形成为容纳所述射流柱的气体供给腔，和用于把辅助气体引入所述气体供给腔的引导通道，

所述引导通道是形成为使所述辅助气体沿着所述射流柱的外周边螺旋形流动的螺旋形引导通道，或者是形成为逐渐接近所述射流柱的轴线的圆锥形引导通道。

8、根据权利要求1至7中任一项所述的激光加工装置，其中所述流体贮存腔具有比所述互联通道的空腔更大的体积。

9、根据权利要求1至8中任一项所述的激光加工装置，其中用于从所述流体供给装置引入射流的引导管连接到所述分配通道，且所述互联通道和分配通道之间的连通部分设置在偏离所述引导管的轴线的位置。

10、根据权利要求1至9中任一项所述的激光加工装置，其中所述互联通道的外周表面和所述流体贮存腔的外周表面形成没有水平差的连续表面。

11、根据权利要求1至10中任一项所述的激光加工装置，其中在管嘴的轴向中，所述流体贮存腔的深度是所述管嘴直径的20倍或更大。

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