CN103203545A

CN103203545A - 一种水导激光光路耦合方法及装置

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Publication number: CN103203545A
Application number: CN2013101272687A
Authority: CN
Inventors: 李萌; 张文武; 张希平; 张天润
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: CN103203545B

Abstract

本发明提供了一种使水导激光光路耦合的方法及其装置。具体地，使水导激光光路耦合的方法包括步骤：（i）提供一水导激光，其中所述水导激光的水柱和激光路径基本吻合；（ii）将（i）中的水导激光通过透射元件投射至透射元件远端的成像元件，从而形成激光光斑；（iii）调整（i）中所述水柱和激光之间的角度，从而使所述激光光斑成为独立的环状光斑从而完成耦合；和任选的（iv）对所述独立环形光斑进行光功率读数，并再次调整所述入射激光元件或出水元件，从而使所述激光光斑保持独立环状光斑且光功率读数为最大并完成耦合。本发明中喷头的结构设计简单，仅靠目测即能实现光路耦合，操作简便、稳定。

Description

一种水导激光光路耦合方法及装置

技术领域

本发明涉及一种不借助辅助观察光路以及图像传感器就能够简单实现激光光束与水射流耦合调整方法及装置。

背景技术

水导激光加工技术利用光在水和空气两相介质中发生全反射的原理，将激光束耦合到水射流中对材料进行加工。由于脉冲激光加工的瞬态性以及水射流对材料表面的冷却冲洗作用，使得水导激光加工技术在脆性、热敏感材料微加工领域具有独特的优势而受到国内外研究者的关注。

而水导激光加工技术中的一个关键问题就是要使光耦合入水射流中，可调范围不是很大，稍微偏移就会使出射能量损耗，达不到加工强度，严重还会使喷头报废。

目前国际上仅有一家辛诺瓦公司能生产成套水导加工设备。根据其中文专利“采用并入液体射流中的激光束的材料加工装置”（CN1134322C）里的描述，通过观察光斑在喷水口的相对位置进行调整的，由于喷口一般很小，最小可达80um，必须增加额外的显微光路、照明光路以及CCD图像采集系统，造成喷头结构复杂体积庞大。之后的相关专利和文献都是借鉴了这一方法，只是细节稍有不同，如专利“利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置”、“一种微水导激光耦合对准装置”、哈尔滨工业大学李灵博士论文《水导激光微细加工技术研究》、厦门大学叶瑞芳博士论文《新型水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究等在光路耦合调整方法上都离不开这个范畴。事实上，这种方法还存在一些问题，由于以喷口所在平面为基准进行观察，当光斑位于喷口内时，是观察不到反射光斑的，只能通过调整光路使其达到喷口边缘才能观察到反射光，以此作为调整依据。而为了最大限度将光耦合入水射流中，必须使光斑聚焦与这个平面内，这样观察到的光斑最小，位置最准确。但是将喷口面作为聚焦面，在加工作业时如果出现光路瞬间扰动，就能使高能聚焦光斑射在喷口边缘造成永久损坏。这点在专利“混合激光加工装置”、“一种水射流与光纤激光直接耦合装置”中都被指出，但是两个专利作者只是针对装置提出改进方案，但是对于耦合调整方法上存在的矛盾都进行了回避。

因此，本领域迫切需要开发一种能够将激光准确耦合入水流且操作方便、对喷头无损伤的方法及装置。

发明内容

本发明提供了一种水导激光光路耦合的方法，本发明对喷头要求低、操作简单，且对喷头装置无损伤。

本发明的第一方面，提供了一种使水导激光光路耦合的方法，包括步骤：

（i）提供一水导激光，其中所述水导激光的水柱和激光路径基本吻合；

（ii）将（i）中的水导激光通过透射元件投射至透射元件远端的成像元件，从而形成激光光斑；

（iii）调整（i）中所述水柱和激光之间的角度，从而使所述激光光斑成为独立的环状光斑从而完成耦合；和任选的

（iv）对所述独立环形光斑进行光功率读数，并再次调整所述入射激光元件或出水元件，从而使所述激光光斑保持独立环状光斑且光功率读数为最大并完成耦合。

在另一优选例中，步骤(iii)还包括将所述激光光斑对准比较所述成像元件上的标识，从而调整激光光斑至独立的环状光斑；和/或对形成的独立环状光斑进行记录。

在另一优选例中，在调整过程中细致比较光斑形状位置变化，包括圆心位置以及内外环半径。

在另一优选例中，步骤（iv）完成后，记录最佳状态时光斑的尺寸与位置，从而在以后装置需要重新调整时可以省略步骤（iv）而直接在步骤(iii)根据以前记录直接调整至最佳耦合状态。

在另一优选例中，所述的透射元件设于所述水柱出水口远端，且距离所述水柱出水口为5～100mm，较佳地，10～50mm，更佳地15-30mm。

所述成像元件设于所述透射元件远端，且距离所述透射元件距离为10～200mm处，较佳地30～100mm，更佳地50-80mm。

在另一优选例中，所述水柱由喷头提供，且所述的喷头不含显微光路或CCD成像元件。

在另一优选例中，所述的喷头包括靠近光路的近端聚焦透镜以及位于光路远端的透明、封闭的出水腔。

在另一优选例中，所述的水导激光的方向为垂直或水平方向。

在另一优选例中，所述步骤(iii)中调整所述水柱和激光之间的角度由角度调整元件完成。

在另一优选例中，所述的角度调整元件包括相互正交的多维调整件，且用于调整所述入射光源及所述出水元件之间的相对角度。

本发明的第二方面，提供了一种水导激光光路耦合调整装置，所述装置包括以下元件：

(a)用于实施本发明第一方面所述方法的步骤(i)的元件；

(b)用于实施本发明第一方面所述方法的步骤(ii)的元件；

(c)用于实施本发明第一方面所述方法的步骤(iii)的元件；和任选的

(d)用于实施本发明第一方面所述方法的步骤(iv)的元件。

在另一优选例中，所述用于实施步骤(i)的元件包括入射光源和/或入射光源调整元件;

所述用于实施步骤(ii)的元件包括透射元件和成像元件；

所述用于实施步骤(iii)的元件包括角度调整元件；和/或

所述用于实施步骤(iv)的元件包括光功率计。

在另一优选例中，所述的角度调整元件还包括万向调整件，用于以任意角度调整所述入射光源及所述出水元件之间的相对角度。

在另一优选例中，所述的透射元件为一透明介质；和/或

所述成像元件包括用于漫反射激光的光屏或光幕。

在另一优选例中，所述的透明介质包括玻璃或其他耐热透明材料。

在另一优选例中，所述的透明介质厚度为0.5mm～3mm。

在另一优选例中，所述的光屏或光幕为纸张、塑料、金属薄片等。

在另一优选例中，所述的光屏或光幕的直径为50～300mm。

在另一优选例中，所述光屏和光幕上还标有用于识别或对准所述独立的环状光斑的标识。

在另一优选例中，所述的标识包括带刻度的等距同心圆环组加上过圆心的十字线。

本发明第三方面，提供了一种水导激光光路耦合调整装置套件，所述的套件包括如本发明第二方面所述的水导激光光路耦合调整装置以及说明书。

在另一优选例中，所述的说明书记录有如本发明第一方面所述的使水导激光光路耦合的方法。

本发明第四方面，提供了一种水导激光加工系统，所述系统包括本发明第三方面所述的套件以及用于实施水导激光加工的其他部件。

在另一优选例中，所述的用于实施水导激光加工的部件包括激光光源、增压供水源及其管路以及废水回收装置。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本方法第一实例装置示意图。

图2为本方法第二实例装置示意图。

图3为用zemax软件对耦合光路的一个仿真，左边为仿真光路，右边为出射光斑。

图4为部分耦合光斑特征图。

图5为实施例1中耦合后实际拍摄得到的环状光斑图。

图6为实施例2中耦合后实际拍摄得到的环状光斑图。

其中，10成像元件，12透射元件，14水柱，16喷头，20角度调整元件，22支撑件，24横向水平调整件，26纵向水平调整件，28垂直调整件。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次意外地发现，在水导激光光路耦合调整时，通过调节入射光及喷头之间的角度，并在远端设置透射介质，屏蔽水柱并使激光透射后投影于成像元件，从而调整激光的成像形状至圆环形，并使光功率最大化，完成水导激光光路的耦合。在此基础上，完成了本发明。

水导激光

水导激光本质是将光引入水射流中，利用水/空气界面对光进行不断全反射将光锁在水柱内部。而激光光束属于高斯光束，不可能聚焦与一个理想点，而是一个有半径的圆斑，并且在焦平面后迅速发散，经过多次全反射后，经过水柱中心的光路很少，而大多数光能量都靠近截面边缘在传播，所以导致最终出射光斑是一个圆环。

可用于本发明的提供激光光束的需要满足能量被水吸收尽量小，波长范围为150nm～1100nm，辐射形式可以是脉冲的也可以是连续的，市场上成熟的YAG激光器即可满足需要。当采用大功率激光时，液体也可采用硅油代替水。

可用于本发明的水导激光由一激光光束与一水柱基本吻合而形成。其中，所述的水柱由一喷头产生。喷头包括靠近光路的近端聚焦透镜以及位于光路远端的透明、封闭的出水腔。

在喷头设计及制造过程中，为了达到水导激光与水柱基本吻合的效果，需合理计算焦点位置，使焦点理论位置在喷口附近，而加工以及安装误差产生的耦合失调即用本发明的方法加以校正。

在使用本发明调整方法之前，需先观察聚焦透镜上的光斑，使光斑落在透镜内部，通常，基本吻合的水导激光的光斑落在1/2半径处。其中，透镜中心是0半径，边缘是最大半径，即是让光斑位于既非中心又非边缘的任意处。

透射元件

可用于本发明的透射元件没有特别限制，可以为任何能使过滤水柱、使激光透射且滤过的水不影响激光光路的透明、耐热介质。

通常，所述的透明介质包括玻璃或其它耐热透明材料。所述的透明介质的厚度在0.5～3mm。

在本发明中，所述的透射元件被设置于水柱出水口的远端，其设置的距离没有特别限制，可以在水柱任意截面，可以根据系统聚焦点位置水柱层流距离调整。通常，所述的透射元件距离所述水柱出水口5～100mm，更佳地，10～50mm，更佳地15-30mm。

成像元件

可用于本发明的成像元件没有特别限制，可以为任何能够投影激光光斑的光屏或光幕。

通常，为了使投影清楚，所述能够投影激光光斑的光屏或光幕优选为白色，且材料包括纸张、塑料、金属薄片等。

在本发明中，所述的成像元件被设置于透射元件的远端，其设置的距离没有特别限制，可以设置在透射元件远端的任意位置，其所成像大小与距离成正比。通常，所述成像元件距离所述的透射元件10～200mm，较佳地30～100mm，更佳地50-80mm。

此外，为了使观察者清楚的鉴别投射于成像元件上的激光光斑是否呈独立的环形光斑，所述的成像元件上还可以优选地设有带有标尺、圆心或圆弧型的各种标识。一种优选的标识包括带刻度的等距同心圆环组加上过圆心的十字线。

光功率计

本发明中，当激光光斑投射于成像元件并被调整为独立环形光斑后，可撤去成像元件而使用光功率计对所投射的激光进行光功率测定。可用于本发明的光功率计没有特别限制，可以为任何市售可得的光功率计。

水导激光光路耦合调整装置

除了上述本发明装置各元件，在另一优选例中，具体可用于本发明水导激光光路耦合调整装置可以包括以下元件：

（a）入射激光元件；

（b）角度调整元件；

（c）出水元件；

（d）透射元件；

（e）成像元件；和任选的

（f）支撑元件；

其中，所述的角度调整元件用于调整入射激光元件产生的激光以及出水元件之间的角度，且依次经过所述出水元件聚焦、所述透射元件透射，从而在所述成像元件上成像；

所述的支撑元件用于将所述角度调整元件与所述入射激光元件或所述出水元件连接并固定，从而形成可调节角度的入射激光元件或出水元件；

所述的入射激光元件还包括：

（g）入射光源；和/或

（h）光源调整元件。

所述的光源调整元件包括反光镜；所述的出水元件包括喷头，所述的喷头设有一聚焦透镜，且所述喷头不含显微光路或CCD成像元件；

所述的透射元件为一透明介质；所述的透明介质包括玻璃或其他耐热透明材料；所述的透明介质厚度为0.5mm～3mm。

所述的成像元件包括用于反射激光的光屏或光幕；所述的光屏或光幕为纸张、塑料、金属薄片等；所述的光屏或光幕的直径为50～300mm。

所述的角度调整元件包括多维调整件，且用于调整所述入射光源及所述出水元件之间的相对角度；所述的多维调整件包括横向水平调整件、纵向水平调整件和垂直调整件。

在另一优选例中，所述的多维调整件集合于同一模块。

此外，所述的装置还包括(i)光功率计，且所述的光功率计用于测量入射激光元件产生的激光。

水导激光光路耦合方法

本发明提供的水导激光光路耦合方法，具体地包括步骤

为了便于调节，需先观察聚焦透镜上的光斑，使光斑落在透镜内部，通常，基本吻合的水导激光的光斑落在1/2半径处。其中，透镜中心是0半径，边缘是最大半径，即是让光斑位于既非中心又非边缘的任意处。

此外，步骤(iii)还包括将所述激光光斑对准所述成像元件上的标识，从而调整激光光斑至独立的环状光斑。

步骤（ii）中，所述的透射元件设所述水柱出水口远端，且距离所述水柱出水口5mm～100mm，较佳地，10～50mm，更佳地，15～30mm；所述成像元件设于所述透射元件远端，且距离所述透射元件距离为10～200mm处，较佳地30～100mm，更佳地50-80mm。

通常，所述水柱由喷头提供，且所述的喷头不含显微光路或CCD成像元件。

在本发明中，所述的水导激光的角度和方向没有特别限制，只要使可以为任何滤过的水不影响或改变激光光路的角度或方向。通常，水导激光的方向的为垂直向上、向下或水平方向。

步骤(iii)中调整所述水柱和激光之间的角度由角度调整元件完成，所述的角度调整元件包括相互正交的多维调整件，且用于调整所述入射光源及所述出水元件之间的相对角度。

在使用光功率计时，平移调整方向为使功率计数值上升的方向，遇到数值下降说明调整过头则反向调整直至最大值。

在本发明中，所述光屏和光幕上还标有用于识别或对准所述独立的环状光斑的标识。较常用的标识包括带刻度的等距同心圆环组加上过圆心的十字线。

可用于本发明的多维调整件没有特别限制，可以包括横向角度调整件（沿x轴）、平移水平调整件（沿y轴）、和/或垂直调整件（沿z轴）。此外，本发明多维调整件还包括万向角度调整件，使本发明入射光源及喷头之间可以以任意的角度进行调整。

在本发明中，多维调整件的调整顺序无特别限制，可以以任意一轴为基准，进行多维调整。

优选的情况下，调整跟水射流方向相关，因此只需进行两维平移和两维角度调整，即多维不包括与水流方向相同的一维即可完成调整。

鉴于本发明的教导，在了解了本发明水导激光光路耦合方法的基础上，本领域技术人员可以想到各种实施本发明方法的具体装置以及可用于这些装置中的具体元件。本领域技术人员可以根据具体选择这些元件，只要可以实施本发明方法中的各步骤或实现本发明方法的技术效果即可。换言之，本发明的水导激光光路耦合调整装置并不限于上文所述的具体装置。

本发明的有益效果

本发明提供的方法和装置不需要额外的显微观察光路以及CCD图像采集系统，仅靠目测就能实现。本发明中，喷头的结构设计简单，系统稳定性高，只需观察出射光斑形状，而对焦点光斑深度位置没有要求，对于不同聚焦方案具有一致适用性。此外圆环光斑特征明显，方法容易掌握，对调准人员的技术要求门槛低。

实施例1

1.1装置：如图1所示，喷头16位置固定，水柱14向上喷出，耦合光透过透明介质12照射到光屏10上，由于全反射发射角度的关系，一定距离外光屏中的像为放大斑，因此不需要额外显微光路。可调反射镜18用于调节喷头与入射光路在两个正交方向上的相对角度，反射镜18固定在角度调整元件（二维平移台）20上，用于调节喷头与入射光路两个正交方向上的相对位置，成像元件（光屏）为白纸，透射元件为载玻片。

1.2具体调整方法：

1.2.1调准准备：在系统喷头出水口约30mm处放置载玻片，在载玻片后180mm以外置一光屏（白纸），然后出水。调整激光输出功率至最低后出光，逐渐提升功率置目测可视其射在聚焦透镜表面上的光斑，调整光路位置或者喷头位置，使光斑落在大约1/2透镜半径处。

1.2.2粗调：通过角度调整装置，调整入射光路与喷头的相对角度，根据光斑变化进行调整，调整第一轴时，观察到光屏上的光斑经历出现－消失、光斑延圆弧移动两种变化，将光斑调整至两个消失－出现临界位置的中点，然后调整与其正交的另一轴。

1.2.3细调：撤去光屏，在该位置处置一光功率计，通过两轴平移机构调整入射光在聚焦透镜上的位置，直到功率计读数最大，认为耦合调整完毕。

1.3结果：如图5所示，为利用该装置调出的耦合态实际光斑图，环形光斑外径约100mm。

实施例2

2.1装置：如图2所示，入射光位置固定，水射流水平出射，喷头固定在转台22上，用于调节一个方向上喷头与光路的相对角度，转台固定在水平横向调整件24上，用于调节另一正交方向上喷头与光路的相对角度，水平横向调整件（摆角台）固定在角度调整元件（一维平移台）26上，用于调节一个方向上喷头与光路的相对位置，平移台固定在垂直调整件（升降台）28上，用于调节另一正交方向上喷头与光路的相对位置。成像元件（光屏）为白纸，透射元件为载玻片。

2.2具体调整方法：

2.2.1调准准备：在系统喷头出水口约10mm处放置载玻片，在载玻片后30mm以外置一带标识的黑色靶标作为光屏，然后出水。调整激光输出功率至最低后出光，逐渐提升功率置目测可视其射在聚焦透镜表面上的光斑，调整光路位置或者喷头位置，使光斑落在大约1/2透镜半径处。

2.2.2粗调：通过角度调整装置，调整入射光路与喷头的相对角度，根据光斑变化进行调整，调整第一轴时，出现圆环光斑，直接进入细调步骤。

2.2.3细调：撤去光屏，在该位置处置一光功率计，通过两轴平移机构调整入射光在聚焦透镜上的位置，直到功率计读数最大，认为耦合调整完毕。

1.3结果：如图6所示，为利用该装置调出的耦合态实际光斑图，环形光斑外径约20mm。

讨论

对于聚焦光路来说，入射角度决定了焦点的空间位置，而入射位置不改变焦点位置。因此，理论上说角度决定了是否能够耦合，与入射光的位置相关性不是很大，但由于入射光是高斯光束，焦点不是理想的点而是一个有半径的光斑，入射位置虽然不改变焦点位置，但会影响焦点截面大小，所以初始入射位置定在一个较偏的位置，形成较大的入射光斑，使调整时能够容易找到环状斑，因为只要一部分光耦合进去就能观察到环状斑，部分耦合光斑如图3所示（模拟图），在环状斑外有一额外光斑，调整后耦合光斑如图4所示（模拟图）。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种使水导激光光路耦合的方法，其特征在于，包括步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的透射元件设于所述水柱出水口远端，且距离所述水柱出水口为5～100mm，较佳地，10～50mm，更佳地15-30mm；和/或

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(iii)中调整所述水柱和激光之间的角度由角度调整元件完成。

4.一种水导激光光路耦合调整装置，其特征在于，所述装置包括以下元件：

(a)用于实施权利要求1所述方法的步骤(i)的元件；

(b)用于实施权利要求1所述方法的步骤(ii)的元件；

(c)用于实施权利要求1所述方法的步骤(iii)的元件；和任选的

(d)用于实施权利要求1所述方法的步骤(iv)的元件。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述用于实施步骤(i)的元件包括入射光源和/或入射光源调整元件;

所述用于实施步骤(ii)的元件包括透射元件和成像元件；

所述用于实施步骤(iii)的元件包括角度调整元件；和/或

所述用于实施步骤(iv)的元件包括光功率计。

6.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的透射元件为一透明介质；和/或

所述成像元件包括用于漫反射激光的光屏或光幕。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光屏和光幕上还标有用于识别或对准所述独立的环状光斑的标识。

8.一种水导激光光路耦合调整装置套件，其特征在于，所述的套件包括如权利要求4所述的水导激光光路耦合调整装置以及说明书。

9.如权利要求8所述的套件，其特征在于，所述的说明书记录有如权利要求1所述的使水导激光光路耦合的方法。

10.一种水导激光加工系统，其特征在于，所述系统包括权利要求8所述的套件以及用于实施水导激光加工的其他部件。