CN107457482A - 一种阵列式光波导液体射流装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工领域，并具体公开了一种阵列式光波导液体射流装置及方法，其通过设置包括衍射光学元件和聚焦透镜组的激光束发生单元，以使激光束经衍射光学元件分为多束激光束子束，多束激光束子束再经聚焦透镜组以及透明激光窗口射出；然后通过设置射流喷射单元和液体供应单元，以在喷嘴中形成收缩水射流，多束激光束子束在喷嘴入口处与水射流耦合，以耦合形成水束光纤，并经对应的喷嘴以阵列的形式射出。本发明有效解决水射流导引激光加工时加工效率低、精度难以控制的问题，具有结构简单、操作方便、适用性强等优点。

Description

一种阵列式光波导液体射流装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种阵列式光波导液体射流装置及方法。

背景技术

激光加工已广泛应用于工件切割、钻孔、焊接、清洗及表面处理中，由于激光的高能高热以及焦点跟踪的影响，其加工过程往往伴随着加工毛刺、微粒的沉积、加工孔道的不平行、热应力等等不利因素，由此限制了激光加工的质量与应用范围。

专利US5902499公开了一种采用水射流导引高能激光做加工的方法与装置，该方法及装置是从喷嘴射出高压水形成射流，高能激光与水射流汇合，然后经单个喷嘴到达被加工表面。该发明有效解决了激光高热和焦点追踪难带来的加工质量问题，但是由于采用的汇聚透镜组将所有激光能量汇入一束水射流，其在加工过程中，一次只能完成一个加工点的打孔或一道沟槽的切割，加工点与点或槽与槽之间的间距的控制也极大地受限于机床的精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种阵列式光波导液体射流装置及方法，其中通过对关键组件激光束发生单元和射流喷射单元的结构及其具体设置方式的研究和设计，使得激光束分束耦合入水射流阵列，以极大的提高水导激光加工的效率和精度，相应的以有效解决水射流导引激光加工时加工效率低、精度难以控制的问题，同时还具备结构简单、操作方便、适用性强等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种阵列式光波导液体射流装置，其包括激光束发生单元和射流喷射单元，其中：

所述激光束发生单元包括壳体以及从上至下依次设置在该壳体内部的衍射光学元件和聚焦透镜组，所述衍射光学元件的上方设置有激光发生组件，所述聚焦透镜组的下方设置有透明激光窗口，该透明激光窗口与所述壳体密封，其中由所述激光发生组件产生的激光束经所述衍射光学元件分为多束激光束子束，该多束激光束子束经所述聚焦透镜组以及透明激光窗口射出；

所述射流喷射单元设于所述透明激光窗口的下方，其包括呈阵列分布的多个喷嘴，所述多个喷嘴与所述多束激光束子束对应；所述透明激光窗口和所述多个喷嘴之间设置有用于提供高压水的液体供应单元，供应到所述透明激光窗口和所述多个喷嘴之间的高压水从所述多个喷嘴喷出，以在所述多个喷嘴中形成水射流，该水射流与从所述透明激光窗口中射出的多束激光束子束耦合后经对应的喷嘴射出。

作为进一步优选的，所述激光发生组件与所述衍射光学元件之间设置有准直透镜组。

作为进一步优选的，所述多个喷嘴直接开设在宝石体上，并呈阵列分布，每个所述喷嘴的喷射孔由直孔段和锥孔段组成，所述直孔段的一端对应喷嘴的入口端，另一端与所述锥孔段的小端相接，该锥孔段的大端对应喷嘴的出口端。

作为进一步优选的，所述多个喷嘴呈阵列安装在金属保持架上，每个所述喷嘴均为宝石喷嘴，并且其喷射孔由直孔段和锥孔段组成，所述直孔段的一端对应喷嘴的入口端，另一端与所述锥孔段的小端相接，该锥孔段的大端对应喷嘴的出口端。

作为进一步优选的，所述宝石体和/或宝石喷嘴为红宝石、蓝宝石或钻石。

作为进一步优选的，所述高压水的压力为2兆帕以上，优选为10兆帕到80兆帕。

按照本发明的另一方面，提供了一种阵列式光波导液体射流方法，包括如下步骤：

(1)提供激光束，该激光束经准直透镜组准直后射入衍射光学元件中，并在该衍射光学元件作用下分为呈阵列分布的多束激光束子束，所述多束激光束子束经聚焦透镜组聚焦，并经激光窗口射出；

(2)提供高压水，该高压水经呈阵列分布的多个喷嘴形成呈阵列分布的水射流，该水射流与从所述透明激光窗口中射出的多束激光束子束耦合以形成水束光纤阵列，该水束光纤阵列经呈阵列分布的多个喷嘴喷出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过对激光束发生单元和射流喷射单元的具体结构及其布置方式的研究与设计，获得的阵列式光波导液体射流装置可一次完成多个加工点的同时加工，例如多个加工点的同时并行打孔或多道沟槽的同时并行切割，并通过阵列式布置的喷嘴，实现加工点与点或槽与槽之间间距的精确控制，有效提高水导激光加工的效率和精度，具有结构简单、操作方便等优点。

2.本发明根据加工对象的不同，采用直接在宝石体上开设喷嘴或者通过金属保持架安装固定宝石喷嘴的方式实现多个喷嘴的设置与固定，针对不同的加工对象，设计不同的射流喷射单元即激光-水射流耦合头，有针对性的实现具有紧凑图案工件或具有稀疏图案工件的有效加工，保证小间距加工或大间距加工的有效进行，可根据加工对象的图案更换不同的射流喷射单元，可以在多种图案和不同加工尺寸间迅速切换，适用性强。

3.本发明的每束激光束子束被精确地射入相对应的喷嘴中，并在喷嘴的入口处与水射流耦合，光束在水射流的液-气界面形成全反射，并沿光波导射流传播，直达加工表面，实现工件的有效可靠高精度加工。

4.本发明通过在宝石体上开设喷嘴或在金属保持架上设置宝石喷嘴，并通过控制阵列精度，以保证加工间距，提高加工精度，避免了依靠机床往复加工带来的运动误差和精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种阵列式光波导液体射流装置的结构示意图；

图2(a)和(b)是本发明实施例提供的一种射流喷射单元(在宝石体上直接开设喷嘴)的结构示意图；

图3(a)和(b)是本发明实施例提供的另一种射流喷射单元(在金属保持架上安装喷嘴)的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的宝石喷嘴结构示意图；

图5是本发明实施例提供的采用一种射流喷射单元(在宝石体上直接开设喷嘴)进行加工的加工示意图；

图6是本发明实施例提供的采用另一种射流喷射单元(在金属保持架上安装喷嘴)进行加工的加工示意图；

图7是本发明实施例的水束光纤形成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种阵列式光波导液体射流装置，其包括激光束发生单元、射流喷射单元和液体供应单元，其中，激光束发生单元用于产生高能激光束，并使高能激光束分为多束呈阵列分布的激光束子束，以对工件表面进行激光加工，液体供应单元用于提供高压水，射流喷射单元(激光-水射流耦合头)用于使高压水进入多个喷嘴形成呈阵列分布的水射流，然后呈阵列分布的水射流与阵列分布的激光束子束耦合，最后使耦合后的高压水射流与高能激光束子束经阵列分布的喷嘴射出。通过上述两个单元的相互配合，可实现水束光纤呈阵列方式喷出，以实现工件的多槽或多孔的水导激光并行加工，具有加工效率高、精度高等优点。

下面将对各个部件逐一进行更为具体的说明。

如图1所示，激光束发生单元包括壳体2以及从上至下依次设置在该壳体2内部的准直透镜组4、衍射光学元件(DOE)5和聚焦透镜组7，该准直透镜组4、衍射光学元件5和聚焦透镜组7均水平设置，该准直透镜组4用于对激光束进行准直，并消除球差、色差与畸变，其由多个准直镜构成，其上方设置有激光发生组件，该衍射光学元件5用于将激光束分为多束激光束子束，该聚焦透镜组7用于将带有角度的多束激光束子束一方面准直成平行光，另一方面聚焦至射流喷射单元的对应喷嘴中，其由多个聚焦透镜构成，其下方设置有透明激光窗口8，该透明激光窗口8与壳体2密封，具体与壳体2的底部密封(图1的14处)，可有效防止漏水，其中激光发生组件用于产生激光束，该激光束经准直透镜组4准直后，进入衍射光学元件5，并经衍射光学元件5分为多束呈M×N(行×列)阵列分布的激光束子束，该多束激光束子束分别经聚焦透镜组7聚焦经透明激光窗口8射出。当然，入射光(即激光束)亦可采用平行线状空间激光直接照射衍射光学元件5并分束，再由聚焦透镜组7准直成平行光，此时可无需设置准直透镜组4。

其中，所述激光发生组件可以为激光发生器，该激光发生器可以设置在壳体2的内部，也可以设置在壳体2的外部，该激光发生器用于产生高能激光束1，该高能激光束可以通过扩束系统进行均匀扩束以形成均匀激光束，激光束经传能光纤3传输至准直透镜组4，经准直透镜组4准直后射入衍射光学元件5中以分为多束呈阵列分布的激光束子束，然后多束呈阵列分布的激光束子束各自分别经聚焦透镜组聚焦，并经透明激光窗口射出，以射入射流喷射单元中对应的呈M×N阵列分布的喷嘴中，即M×N激光束子束经过聚焦透镜组及透明激光窗口汇聚到喷嘴平面的M×N喷嘴阵列，以在喷嘴上形成所需的一维或二维的焦点光斑图案，多束激光束子束经过聚焦透镜组后彼此平行。

如图1所示，以最左边的光路为例对本发明的光路产生原理进行说明，首先由激光发射组件产生激光束，该激光束经准直透镜组4准直后，再经衍射光学元件5分为例如四束激光束子束，位于左边的激光束子束依次经聚焦透镜组和透明激光窗口8射出，以聚焦在射流喷射单元中位于左边的喷嘴入口处，并射入该喷嘴中，其他激光束子束的光路产生原理相同，在此不赘述，多束激光束子束经过聚焦透镜组后彼此平行。

如图1所示，射流喷射单元设于透明激光窗口8的下方，其包括呈阵列分布的多个喷嘴，多个喷嘴与多束激光束子束对应，即呈阵列分布的喷嘴的数量、分布位置、分布规则与从透明激光窗口8中射出的多束激光束子束相对应，以此保证每束激光束子束都能射入对应的喷嘴中，以保证激光加工顺利有序的进行。所述透明激光窗口8和喷嘴之间设置有用于提供高压水的液体供应单元13，该高压水由液体供应单元喷射至透明激光窗口8与喷嘴之间，并进入呈阵列分布的多个喷嘴中以形成呈阵列分布的水射流，呈阵列分布的水射流与从透明激光窗口中射出的多束激光束子束耦合后经对应的喷嘴射出水束光纤阵列10。该水射流为高压水射流，高压水射流的水层较薄，可避免湍流，该高压水射流为圆形层流水射流，用于引导激光束，作用类似玻璃光纤，可将其称为水射流光纤或水束光纤，激光在喷嘴位置与水射流耦合，在水射流光纤中做全反射。其中，高压水的压力为2兆帕以上，优选为10兆帕到80兆帕。

进一步的，当用于加工具有紧凑图案的工件或进行小间距加工时，可直接在宝石体11上开设呈M×N(行×列)阵列分布的多个喷嘴，如图2(a)和(b)所示，直接在宝石体上加工一维呈线性排列(1×4)或二维呈阵列排列(4×4)的多个喷嘴9，具体可通过激光在单个宝石体上打孔以形成紧密的小孔阵列；每个喷嘴的喷射孔均由直孔段和锥孔段组成，以形成层流收缩射流，其中直孔段的一端对应喷嘴的入口端，另一端与锥孔段的小端相接，该锥孔段的大端对应喷嘴的出口端。所述宝石体为红宝石、蓝宝石或钻石。

进一步的，当用于加工具有稀疏图案的工件或进行大间距加工时，各喷嘴之间的间距较大，而采用在宝石体上直接开设喷嘴的方式，会造成宝石体的浪费，增加设备成本，此时可以通过设置金属保持架，以嵌装一维或二维排布的宝石喷嘴，即金属保持架上开设有多个孔，每个孔内嵌装一个宝石体，每个宝石体上开设一喷嘴喷射孔。如图3(a)所示，多个宝石喷嘴呈1×4阵列以过盈配合的方式嵌装在金属保持架12上，如图3(b)所示，多个宝石喷嘴呈4×4阵列以过盈配合的方式嵌装在金属保持架12上，并且如图4所示每个宝石喷嘴的喷射孔均由直孔段和锥孔段组成，以形成层流收缩射流，直孔段的一端对应喷嘴的入口端，另一端与锥孔段的小端相接，该锥孔段的大端对应喷嘴的出口端。所述宝石喷嘴为红宝石、蓝宝石或钻石。

下面对本发明的一种阵列式光波导液体射流装置作用过程进行详细说明。

如图5-7所示，首先由液体供应单元提供高压水，该高压水从多个喷嘴喷出，在喷嘴中形成稳定的收缩水射流，然后由激光发生组件提供激光束，该激光束经准直透镜组准直后射入衍射光学元件中，以在该衍射光学元件的作用下分为呈阵列分布的多束激光束子束，所述多束激光束子束经聚焦透镜组和激光窗口聚焦到喷嘴阵列入口处，并在喷嘴入口处与水射流耦合，各喷嘴中的光与水耦合形成水束光纤，并从喷嘴出口射出，以实现工件15的激光加工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种阵列式光波导液体射流装置，其特征在于，包括激光束发生单元和射流喷射单元，其中：

所述激光束发生单元包括壳体(2)以及从上至下依次设置在该壳体(2)内部的衍射光学元件(5)和聚焦透镜组(7)，所述衍射光学元件(5)的上方设置有激光发生组件，所述聚焦透镜组(7)的下方设置有透明激光窗口(8)，该透明激光窗口(8)与所述壳体(2)密封，其中由所述激光发生组件产生的激光束经所述衍射光学元件(5)分为多束激光束子束，该多束激光束子束经所述聚焦透镜组(7)以及透明激光窗口(8)射出；

所述射流喷射单元设于所述透明激光窗口(8)的下方，其包括呈阵列分布的多个喷嘴，所述多个喷嘴与所述多束激光束子束对应；所述透明激光窗口(8)和所述多个喷嘴之间设置有用于提供高压水的液体供应单元，供应到所述透明激光窗口(8)和所述多个喷嘴之间的高压水从所述多个喷嘴喷出，以在所述多个喷嘴中形成水射流，该水射流与从所述透明激光窗口(8)中射出的多束激光束子束耦合后经对应的喷嘴射出。

2.如权利要求1所述的阵列式光波导液体射流装置，其特征在于，所述激光发生组件与所述衍射光学元件(5)之间设置有准直透镜组(4)。

3.如权利要求1所述的阵列式光波导液体射流装置，其特征在于，所述多个喷嘴直接开设在宝石体上，并呈阵列分布，每个所述喷嘴的喷射孔由直孔段和锥孔段组成，所述直孔段的一端对应喷嘴的入口端，另一端与所述锥孔段的小端相接，该锥孔段的大端对应喷嘴的出口端。

4.如权利要求1所述的阵列式光波导液体射流装置，其特征在于，所述多个喷嘴呈阵列安装在金属保持架(12)上，每个所述喷嘴均为宝石喷嘴，并且其喷射孔由直孔段和锥孔段组成，所述直孔段的一端对应喷嘴的入口端，另一端与所述锥孔段的小端相接，该锥孔段的大端对应喷嘴的出口端。

5.如权利要求3或4所述的阵列式光波导液体射流装置，其特征在于，所述宝石体和/或宝石喷嘴为红宝石、蓝宝石或钻石。

6.如权利要求1-5任一项所述的阵列式光波导液体射流装置，其特征在于，所述高压水的压力为2兆帕以上，优选为10兆帕到80兆帕。

7.一种阵列式光波导液体射流方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)提供激光束，该激光束经准直透镜组准直后射入衍射光学元件中，并在该衍射光学元件作用下分为呈阵列分布的多束激光束子束，所述多束激光束子束经聚焦透镜组聚焦，并经激光窗口射出；

(2)提供高压水，该高压水经呈阵列分布的多个喷嘴形成呈阵列分布的水射流，该水射流与从所述透明激光窗口中射出的多束激光束子束耦合以形成水束光纤阵列，该水束光纤阵列经呈阵列分布的多个喷嘴喷出。