CN107530828B - 用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法 - Google Patents

用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法 Download PDF

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Abstract

通过根据联系激光焦点、聚焦锥角、激光束能量分布轮廓和喷嘴几何形状的最佳关系设置液体射流导向激光系统的参数，利用喷嘴130、140以及保护窗170的高寿命性能可实现将高功率激光束180可靠地耦合入体射流导向激光系统中的液体射流125中。

Description

用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法
背景技术
在液体射束内部导光，进行具有低于材料损伤阈值的能量水平的激光的导光是众所周知的事情，并不需要将光精确地对准到液体射流中。然而，为了使用液体喷射引导激光束对工件进行材料处理，激光功率必须超过工件材料的损伤阈值。在这种情况下，激光束到液体喷射的精确聚焦对准以及液体喷射的流体动力效应起到非常重要的作用，因此必须被精确地考虑。
为了在需要无人3班操作的工业环境中开发利用该技术，非常重要的是，液体喷射激光过程能够在长时间不间断稳定地操作，同时提供高激光功率用于工件的处理。没有正确的焦点对准，许多激光器的能量水平是如此之高，使得产生液体射流的喷嘴和/或保护窗口(用于封闭液体空间同时激光可以通过)，将立即或在非常短的工作时间后销毁；因此必须遵循正确的光学焦点对准以及流体力学考虑。
因此，需要一种方法能够允许高功率激光束可靠地耦合到液体射流中，同时显着增加喷嘴和保护窗口寿命的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法，该用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法可以允许高功率激光束可靠地耦合到液体喷射中，同时显着地增加喷嘴和保护窗口的寿命的方法。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
一种用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法，所述方法包括根据激光的焦点、焦点锥角、激光束轮廓和喷嘴几何形状的最佳关系设置液体喷射引导激光系统的参数。
在一些实施例中，液体喷射引导激光系统的焦点被设置为在喷嘴入口平面下方并且与喷嘴入口平面分开的尺寸小于喷嘴直径的两倍的距离。
附图说明
图1A-1B根据一些实施例示出的液体喷射引导的激光系统。
图2A-2D根据一些实施例示出了用于一种液体喷射引导的激光系统的激光束的光学系统。
图3A-3C根据一些实施例示出喷嘴损坏的示意图。
图4A-4B根据一些实施例示出的激光功率密度分布。
图5A-5B根据一些实施例示出了激光束的配置聚焦到根据一些实施例的喷嘴开口。
图6A-6B根据一些实施例示出了大焦点距离不同的机制。
图7A-7B，根据一些实施例示出了潜在损害的喷嘴侧壁。
图8根据一些实施例示出用于测量由喷液供给功率的示意图。
图9A-9B根据一些实施例示出了聚焦点与的喷嘴的配置之间的关系。
图10根据一些实施例示出了喷嘴直径为80微米的耦合点CP。
具体实施方式
在一些实施方案中，本发明涉及一种液体喷射引导的激光系统，它可以产生包含在液体射束内部的激光束。激光技术适用于种类繁多的材料加工任务，如切割，钻孔，焊接，标记，雕刻和烧蚀材料。几乎可以加工所有的材料例如金属，金属合金，陶瓷，金刚石，人造钻石，碳纤维，蓝宝石，石英，玻璃，塑料等。在几乎所有情况下，使用聚焦透镜将激光聚焦成一个非常小的点，使得激光能量超过工件材料的损伤阈值而处理工件。因此在整个处理过程中工件必须被时刻精确地对准在激光聚焦点上。在液体喷射引导的激光技术中，利用一种耦合单元将激光焦点耦合进入一个细的液体射束内，从而将激光聚焦能量保持在整个液体射束的长度中。耦合单元通常包括一个金属盒，该金属盒在聚焦透镜的一侧由激光防护窗封闭。在相反一侧配置有喷嘴。在窗口和喷嘴之间喷入液体进入耦合单元，并从喷嘴以液体射束的形式喷出。在聚焦平面上激光点的能量被液体射束捕获并通过液体射束引导至工件。该方法免除了需要精确控制工件的距离，因为执行处理加工所需要的能量在整个液体射束的层流长度上都是同样大的。任何能够提供合适的光导能力的液体都可用于形成液体射束。
图1A-1B示出了根据一些实施例的液体喷射引导的激光系统。如图1A所示，液体喷射引导的激光系统100可以包括一个腔室120，其被配置为引导的液体流122。腔室120可以在其周边部分有一个盘的形状，具有入口，以接受液体输入。腔室120可以包括用于将液体流转变成液体射束125的开口。在腔室120的一侧是一个喷嘴，它包括一个喷嘴元件140和喷嘴头130。喷嘴元件140可被用来控制喷液125的尺寸。喷嘴头130可用于引导和保护液体射束。液体喷射引导的激光系统100可以包括一个保护窗170，它可以固定在腔室120的相对侧。保护窗用于将激光束的干燥环境与液体射束的液体环境分离。激光束180可聚焦在液体部分中，如聚焦在液体射束125。激光束在液体射束内部由于内反射而被包裹住。图1B示出了液体喷射的示意图，实线表示边界流动路径，虚线表示中心流动路径。边界流动路径可以按照流道的形状而变化，例如，利用喷嘴元件140的外形构造产生一段具有稳定层流液体射束。
在一些实施方案中，本发明公开了一种方法和/或操作系统，以改进液体喷射引导的激光系统的操作。该方法可以用于在最佳条件下构建和操作一个液体喷射引导的激光系统中的引导线。例如，在一个给定的液体喷射引导的激光系统中，该方法能以最佳的配置操作液体喷射引导的激光系统，例如达到最小功率损耗或延长零件使用寿命。此外，该方法还可以提供零件更换和改进的指导，以获得所需的操作要求，例如达到高的激光功率，或实现长期可靠性运行。
在一些实施方案中，本发明公开的方法可以耦合一个高功率激光束到液体射束，同时不超过喷嘴的损伤阈值，并极大减少激光照射到保护窗(较少外泄能量可实现更长的寿命)。例如，该方法可以允许大于150毫焦耳的1064纳米激光耦合进入一个80微米的喷嘴，实现大于250个小时的激光保护窗口和喷嘴的使用寿命。该方法可以显著增加耐久性，相比于现有技术的方法，可以实现在工业环境中真正无人值守的3班操作。
在一些实施方案中，本发明公开的操作条件用于最大化激光功率传递，例如，产生最大化的液体喷射引导的激光束的功率用于切割工件，同时保护零件，如能够将保护窗口和喷嘴(喷嘴元件和喷嘴尖)与激光束分离。保护窗口和喷嘴可以被激光损坏，如保护窗口由于高的激光密度而损坏，例如，保护窗口的小区域通过高的激光功率，或喷嘴被一个高的激光功率冲击顶部，侧壁，或者喷嘴的底部而损坏。
在一些实施方案中，本发明公开的方法，可以防止保护窗口激光束损坏，这样可以增加保护窗口在液体喷射引导的激光系统中的使用寿命。当激光束穿过保护窗口时，如果激光功率密度超过一个激光损伤阈值会造成保护窗口的损坏。保护窗典型的1064纳米波长激光损伤阈值是10-15焦耳/平方厘米。因此，对于具有0.0855毫米激光光斑大小的激光防护窗的底侧，由于10J/平方厘米的最大能量的限制，现有技术能够使用的激光能量仅为8.55毫焦耳。然而，对于工件材料处理，特别是非常深的切削，需要高得多的能量。
在一些实施方案中，本发明公开了一种平衡激光功率和激光光斑大小，提供了改进保护窗口的防护方法。例如，在相同的激光功率下较大的激光斑点尺寸可以延长保护窗口的寿命性能。另外，一个较大的激光光斑大小可允许更大的激光功率的使用，而不会损坏保护窗口。
图2A-2D根据一些实施例示出了用于一种液体喷射引导的激光系统的激光束的光学系统。在图2A中，不同的聚焦点可以被用于提供不同的激光光斑尺寸，例如，作用于保护窗上不同的功率密度。例如，从位置240移动聚焦透镜290(与聚焦点250)到位置241(与聚焦点251)更靠近保护窗口270可以增加激光光斑尺寸，例如，从光斑尺寸210改变到光斑尺寸211，从而导致较低的激光功率密度，延长了保护窗口的寿命性能。因此，对于相同的焦点锥角θ，由于焦点远离保护窗口而使得保护窗口有较大的光斑尺寸和较低的激光功率密度而得到更好的防护。
如图2B所示，不同的聚焦透镜可以用于提供不同的激光光斑尺寸而得到不同的功率密度作用在保护窗上。例如，聚焦透镜293具有焦点锥体角度θ1(与聚焦点253)，将它换为具有焦点锥体角度θ2(与聚焦点254)的聚焦透镜294可以增加激光光斑尺寸，例如，从光斑尺寸213改变到光斑尺寸214，导致较低的激光功率密度，延长了保护窗口的寿命性能。因此，对于不同焦点锥角θ，由于焦点远离保护窗口而使得保护窗口有较大的光斑尺寸和较低的激光功率密度而得到更好的防护。
如图2C所示，不同的聚焦透镜可以用于提供不同的聚焦锥角，因此得到不同的激光光斑尺寸和不同的功率密度作用在保护窗上。例如，聚焦透镜295具有焦点锥角θ3，将它换为具有焦点锥角θ4的聚焦透镜296可以增加激光光斑尺寸，从光斑尺寸215改变为光斑尺寸216，从而降低激光功率密度，延长保护窗口的寿命性能。因此，对于相同的聚焦点，更大的聚焦锥角θ可为保护窗口更好的防护。
在图2D，不同的光学组件可用于提供不同的激光光斑尺寸，使得不同的功率密度作用在保护窗上。窄激光束260可以拓宽，例如，通过光束扩展光学器件281/261。不同光束扩展光学器件261/281可以使用，形成具有不同波束宽度282/262的激光束。相同的聚焦透镜264，可以用于产生不同的激光光斑尺寸218/217(例如，不同的功率密度作用在保护窗上。例如，较宽的激光束262可以在一个大的面积217冲击保护窗，导致低的功率密度，从而导致保护窗口的一个更好的寿命性能。与此相反，窄激光束282可在一个小的区域218冲击保护窗口，导致高功率密度，从而导致保护窗口的较差寿命性能。光斑大小可通过激光锥角θ5或θ6改变，具有较大的激光锥角θ5具有较大的激光斑点尺寸217，导致对保护窗口更好寿命性能。
在一些实施方案中，本发明公开了一种方法来加宽穿过保护窗口的激光束，例如，扩大激光束的激光光斑大小，提高了保护窗的寿命性能。也就是说，激光束的宽度可以被选择用来以提高保护窗口的寿命性能。大的激光光斑大小可通过加深焦点来实现(例如，相比于聚焦点250的聚焦点251)，对于相同的聚焦锥角(见图2A和2B)。对于相同的焦点(见图2C和2D)大激光光斑大小可通过较大的聚焦锥角来实现(例如，焦点圆锥角θ5相比聚焦锥角θ6)。
在一些实施方案中，激光束冲击保护窗的波束宽度特性可以由聚焦透镜的激光锥角θ与周围介质的折射率n的指数的数值孔径(NA)来表征。用于激光束的光学组件可以被构造以满足聚焦透镜的数值孔径的要求。构造的光学组件不是唯一的，对于一个相同的数值孔径可以构造不同的光学组件。
在一些实施方案中，数值孔径被用于表征激光束冲击保护窗的波束宽度特性。然而，本发明并不限于此，其他参数都可以使用，如作用在保护窗上的激光束光斑尺寸，或激光锥角θ。
在一些实施方案中，本发明公开了一些方法，以及利用这些方法构成的光学组件，利用这些光学组件以提高保护窗口的寿命性能。光学组件可以通过的数值孔径值被表征，被构造。例如，为了改善保护窗的寿命，液体喷射引导的激光系统的聚焦透镜的高的数值孔径可以被采用。
在一些实施方案中，本发明公开了一种用于配置液体喷射引导的激光系统的参数，包括选择聚焦透镜的数值孔径，例如，为液体喷射引导的激光系统选择一种光学组件。数值孔径可以根据作业电力输入要求进行选择。例如，切割厚的材料，可以要求高的激光功率，以熔融并蒸发该材料。然而，高的激光功率可以潜在损害的保护窗口，例如，由于高功率密度撞击保护窗口。在一些实施方案中，本发明公开了选择适当的数值孔径，例如，选择用于液体喷射引导的激光系统中的适当的光学组件，以最小化或防止对保护窗口的损坏。例如，高数值孔径的可以选择使得到达保护窗口功率密度低于保护窗口的可接受的功率密度。数值孔径可以根据保护窗口的寿命性能来选择。例如，一个保护窗口可以承受的额定最大功率密度，例如，激光损伤阈值。适当的数值孔径可以选择，这取决于激光功率输入，从而使激光束到达保护窗的功率密度不超过激光损伤阈值。
在一些实施方案中，本发明公开的方法，可以保护所述喷嘴。激光束可以冲击喷嘴的顶面，侧壁，或者喷嘴的底表面，潜在地损坏喷嘴，减小喷嘴在液体喷射引导的激光系统中的寿命。
图3A-3C根据一些实施例示出喷嘴损坏的示意图。激光束可以聚焦到由喷嘴330封闭的液体区域。激光束可以穿过所述喷嘴的入口开口处，然后由于内反射机制在液体射束内向下行进。为了防止损坏液体喷射引导的激光系统的组件，如激光保护窗口和喷嘴，通过激光保护窗口，并进入喷嘴激光功率密度不应超过保护窗口和喷嘴的损伤阈值。这可以通过综合激光波长，激光功率，激光束的能量分布，焦距和聚焦透镜的聚焦锥角以及激光聚焦光斑尺寸等等参数来实现。
图3A，激光束320聚焦到喷嘴开口内的区域。激光束可以通过几何射线380来表征，表示激光束的宽度被限制在开口内，没有能量冲击到喷嘴。激光通常按照光束的高斯能量分布。对于材料处理一般使用激光束的的1/e平方直径。高斯光束的横向能量分布可描述：
其中，I0是光束的轴向能量，r是在光束中的特定点的半径和r0的是光束的半径，其中能量是或它的最大强度值的13.5％。对于以材料处理为目的的激光束聚焦到一个小点。此激光聚焦点具有相同的高斯能量分布。以实现最小的，衍射受限的激光聚焦光斑，激光聚焦透镜通常被设计在其有效孔径的约87％的适合1/e平方的高斯强度分布照射这样的方式。
图3B中，激光束321被透镜390聚焦成为具有锥角θ。激光束321可以具有高斯分布350。激光束可以通过几何射线381来表征，表示激光束的宽度，这通常是激光的1/e平方直径355。如图所示，激光束的尾端部分341被定位在几何射线381外，表示这部分激光的能量没有包括在激光束宽度内。事实上，使用的1/e平方波束宽度的定义，激光能量的约87％是在所述激光束的宽度内，而激光能量的约13％是在所述激光束的宽度之外。
如图3C所示，一激光束聚焦到一个区域的喷嘴331内。激光束在远离喷嘴开口的位置可以具有高斯分布351，并且在喷嘴开口处具有较窄高斯分布352。类似于图3A，几何射线383可以表示波束宽度，表示激光束的1/e平方直径。该高斯分布的尾端342部分可以冲击340的顶部喷嘴360，潜在损坏喷嘴。因此，一个激光束可以通常具有高斯功率密度分布，因此，高斯分布的尾端部分可以冲击喷嘴顶端部的材料。
在一些实施方案中，本发明公开的方法，以限制激光功率冲击喷嘴的顶端部，以提高喷嘴的寿命。
在一些实施方案中，激光束能够通过激光束的功率密度分布来表征，如高斯或非高斯轮廓图。激光束的功率密度分布可用于计算激光能撞击喷嘴材料的量，例如，没有进入喷嘴入口开口的激光能量。喷嘴的寿命取决于冲击的激光功率，高冲击功率致使喷嘴寿命降低。
在一些实施方案中，本发明公开了一种用于配置液体喷射引导的激光系统的参数，包括选择激光功率撞击喷嘴材料的方法。例如，喷嘴的高寿命性能可以通过配置液体喷射引导的激光系统，使激光束能在一个有限的功率内冲击喷嘴材料，如输入功率的1％或更少，或者小于1W的功率。例如，假设一个100瓦的激光源，激光功率撞击喷嘴材料的量可以被限制到100瓦的激光功率的1％，或小于1瓦的激光功率冲击到喷嘴材料。在一些实施方案中，小于1瓦的激光功率的限制可以被使用，而不论激光源的大小。在一些实施方案中，其他的限制也可以使用，例如激光源的2％，5％，或10％，这取决于喷嘴的所需寿命的性能。此外，
在一些实施方案中，本发明公开了当评估激光透射率时使用的激光束的密度分布，例如，从激光源到液体喷射。该系统的可靠性取决于激光轮廓的分布情况，例如，边缘部分，即不通过所述喷嘴的部分功率。
图4A-4B示出了根据一些实施例的激光功率密度分布。该图显示了距离与激光功率之间的函数关系。所示的激光分布具有高斯分布450，例如，在激光束的中心功率最大，并与距离呈指数关系向外减小。激光束的宽度410可以被定义为具有的1/e平方半径的光束面积。根据高斯理论，1/e平方的激光束包含激光功率的大约87％。例如提供一个具有的1/e平方喷嘴开口的喷嘴，以容纳一个激光束的激光功率的87％通过喷嘴发射，而剩余的能量(例如，13％)撞击喷嘴的材料如顶部或喷嘴的侧壁。激光束的剩余部分的高功率可能会导致喷嘴的损伤，从而导致液体引导激光系统的故障。采用比1/e平方光束半径大50％的激光束，例如，用1.5倍的1/e平方光束半径，更多的激光功率，例如，约99％，包括在激光束内，留下小功率(1％)冲击喷嘴顶部。
在一些实施方案中，缓冲区域420可以被考虑，其可以从1/e平方光束半径的激光束扩大至1.5×1/e平方光束半径。加入缓冲区域可以代表具有激光束的功率的99％的面积。因此，对于一个典型的100瓦的激光，利用光束半径在安全区域430以代替缓冲区域420，只有1瓦或更小的激光功率会冲击喷嘴顶部部分，从而极大减少了喷嘴潜在损害。
在一些实施方案中，可以定义一个有效的激光束的直径(或半径)，其包括标准的1/e平方光束直径或半径，加上缓冲区域在一起。有效激光束的宽度可以表示该激光束包含高于87％的激光能量。例如，一个1.5的有效激光束的宽度可以包含激光功率的99％，这是因为该激光束的宽度大于1/e平方波束宽度的1.5倍。可以采用不同大小的缓冲区域420，可以使用诸如大于1×1/E平方光束半径的，例如，这取决于激光功率和喷嘴的激光损伤阈值。缓冲区域的大小不同可导致不同的有效激光束的宽度，例如，有效的激光束的直径或半径。因此，在一些实施方案中，本发明引入有效激光束的宽度(或直径或半径)，即多于1/e平方波束宽度不同。例如，一个1.2有效激光束的宽度可以具有1.2的宽×1/E平方波束宽度的宽度，导致约6％的激光功率在尾端，这些功率会冲击喷嘴的材料。缓冲区域和有效激光束的宽度可以被用来评估激光功率冲击喷嘴的部分。例如，对于一个50瓦的激光，缓冲区域(以及有效激光束的宽度)可为小于1.5×，例如，以1.4×的比率，该尾端的激光功率仍是1瓦，例如激光功率的2％。类似地，对于2W的具有喷嘴激光损伤阈值所使用的100瓦的激光，缓冲区域(和有效的激光束的宽度)可为约1.4×，例如，该尾端的激光功率是2W，或者是激光功率的2％。另外，对于0.5W的喷嘴激光损伤阈值所使用的100瓦的激光，缓冲区域(以及有效激光束的宽度)可以大于1.5×，例如，在约1.6×，激光功率的比率尾端的是0.5瓦，或者是激光功率的0.5％。
在一些实施方案中，可以定义一个耦合因子，它代表一个标准激光束的宽度和喷嘴直径之比。激光束的宽度可以被表示为所述的1/e平方半径，或者可以是任何其它光束，如最大波束宽度的一半。耦合因子可以被看作是在1/e平方波束宽度比有效波束宽度的比率(或直径或半径)。例如，对于1.5×的缓冲区域，有效波束宽度为1.5倍的1/e平方波束宽度，此时耦合系数为1/1.5，大约是0.67。因而耦合因子可以同样表示有效激光束的宽度或缓冲区域，可以表示出穿过所述喷嘴开口激光束的多少。
在一些实施方案中，激光聚焦平面可以尽可能在远离喷嘴入口的下方进行耦合，以避免高能量冲击保护窗和喷嘴入口。例如，对于一个典型的喷嘴材料，约1％或更小(或1瓦或更小)的能量水平容许冲击喷嘴元件。因此要求使用具有1.5×1/e平方半径的较大的激光束，提供的1/1.5的耦合系数＝0.67或更小。
在上面的描述中，使用高斯激光轮廓。然而，本发明不限于高斯分布的激光束，并且可以包括非高斯分布的激光束。在特殊情况下，其中激光的能量分布被改变(重新排列)，以形成一个非高斯分布。一个非高斯光束的一个例子是高顶礼帽激光轮廓455，其中高斯激光束通过光学元件装置能量被重新布置以形成一个平坦的强度分布(减少峰值强度，形成平坦“顶帽“式样)。这种能量重新安排使用的是1/E平方高斯光束直径。此时采用CF(耦合因数)为这样的非高斯光束计算仍然是相同的，指的是1/e平方的能量水平，其中的1/e平方光束直径415，缓冲区域425，和安全区域435。
在一些实施方案中，本发明公开了提供一个喷嘴开口，它可以容纳聚焦激光束的较大功率部分(低耦合系数)，或提供具有窄的波束宽度(高有效激光宽度)的激光束。例如，一个具有的1/e平方半径激光束，它包含1/e平方光束半径的87％的激光功率，可以聚焦到喷嘴开口处。例如，对于80微米的喷嘴开口，激光束可以充满整个80微米开口，导致13％的激光功率撞击喷嘴侧壁和顶部部分。1/e平方的激光束可以向喷嘴开口的中心区域减少，如在喷嘴开口部的中心大约53微米。因此，激光束轮廓可以具有1.5×有效激光束的宽度(或具有50％的缓冲区域，或具有0.67耦合因子)通过80微米的喷嘴开口。因此，只有约1％的功率会冲击喷嘴材料，从而获得更好的可靠性和喷嘴的寿命。
在一些实施方案中，本发明公开提供了一些可通过激光束大部分能量的喷嘴开口，该喷嘴开口能够允许通过具有缓冲区域半径的激光。通过激光束的喷嘴开口可以是大直径的喷嘴，例如，物理喷嘴构造，可以容许激光束的很大一部分通过。例如，喷嘴可以具有比多个激光束宽度更宽的开口，从而使得喷嘴侧壁受到的能量损害很低。替代地，喷嘴开口通过的激光束可以是具有窄波束宽度的激光束。不需要扩大喷嘴尺寸，同样可以达到效果。例如，一个激光束的宽度可以表示为1/e平方半径，例如，在激光束的强度降低至最大强度的1/e平方(0.135)的位置。喷嘴直径可以是相同于激光束的宽度，可以是激光束宽度的两倍，或者可以是激光束的宽度的任何倍数。
图5A-5B根据一些实施例示出了聚焦到喷嘴开口的激光束配置。激光束轮廓和喷嘴开口可被构造为最小损害喷嘴的材料。
图5A，一个窄的激光束515，例如，具有高有效激光束的宽度的激光束，可以聚焦到喷嘴530，激光束515的边缘碰触到喷嘴的角。有效激光束的宽度可以大于标准的1/e平方激光束的宽度510，由于有效激光轮廓尾端的低功率，只有激光束515的很小部分可冲击到喷嘴材料，由于低功率撞击喷嘴材料，因而一个窄激光束515可以提高喷嘴的寿命性能。
使用有效激光束的概念，激光束的几何射线结构仍然可以使用，例如，激光束515的几何射线可以分析触碰喷嘴角落，以计算撞击喷嘴顶端部的能量。
在一些实施方案中，通过喷嘴的激光束分布可以采用耦合因子来表达。耦合因子可以表示在喷嘴的入口开口处，通过的标准激光功率密度分布。例如，如果喷嘴开口被配置为一个标准的激光功率密度分布，例如1/e平方半径的激光束，则耦合系数为1。如果标准激光功率密度分布被配置为在入口开口的中央部被限制，则耦合系数小于1，如同中心部分到所述入口开口的比率。耦合因子可以小于1。耦合因子可以大于0.2，大于0.3，大于0.4，或大于0.5。在一些实施方案中，耦合因子可以通过所期望的可靠性来确定，如喷嘴的寿命，或撞击喷嘴材料的激光功率部分。例如，激光功率密度分布影响喷嘴的部分可以被选择为小于1％、小于2％、小于5％、小于10％或小于1瓦、小于2瓦、小于5瓦、或小于10W。
如图5B所示，激光束和喷嘴几何形状之间的关系可以根据喷嘴的有效入口开放来表征。喷嘴的实际入口开放520是液体进入开口的几何尺寸，而有效入口开放525可以代表所述喷嘴的开口用于使一个标准的1/e平方的激光功率密度分布通过。例如，如果喷嘴开口被配置为一个标准的激光功率密度分布，例如1/e平方半径的激光束，则有效入口开放是相同于几何入口开放。如果标准激光功率密度分布被配置为在入口开放的中央部被限制，则有效入口开放是一部分的入口开放，其允许标准的激光功率密度分布通过。
在一些实施方案中，本发明公开了一种用于配置液体喷射引导的激光系统的参数，包括选择耦合因子，例如，选择冲击喷嘴的激光功率，它关系到所述喷嘴的所希望的寿命性能。耦合因子可以根据作业功率输入要求进行选择。例如，切割厚的材料，可以要求高的激光功率，以熔融并蒸发该材料。然而，高的激光功率可以潜在损害的喷嘴，这是因为高功率激光能量分布尾端的能量撞击喷嘴。在一些实施方案中，本发明公开了一种选择适当的耦合因子，例如，选择合适的冲击喷嘴的能量，以最小化或防止对喷嘴的损坏。例如，一个低耦合因子可以被选择，使得到达喷嘴顶面的激光能量，也可以说是没有进入喷嘴入口的激光能量，小于喷嘴的激光损伤阈值。耦合因子可以基于喷嘴的寿命性能来选择。例如，喷嘴可在额定用于激光损伤阈值。适当耦合因子可以被选择，这取决于激光功率输入，从而使激光束撞击喷嘴的功率不超过损伤阈值。
在一些实施方案中，本发明公开了一种使用耦合因子表示一个影响到喷嘴伤害。高数值的耦合因子可导致高功率激光能量冲击喷嘴，导致潜在的损坏和喷嘴寿命性能降低。低耦合因子代表激光束周边的缓冲区域，可以确保激光束大部分通过喷嘴开口，只有很小部分能量没有通过。例如，具有比1/e平方半径大50％的缓冲区域激光束，该激光功率的99％可通过，只有大约1％的激光能量冲击喷嘴材料。激光的低冲击力，例如，小于1％，可以显著延长喷嘴的使用寿命，从而导致液体引导的激光系统的高可靠性。在一些实施例中，可以参照功率数值，例如缓冲半径允许小于1瓦(而不是激光功率的1％)冲击喷嘴材料。在一般情况下，根据不同的材料，小于1％，小于2％，或小于5％的激光功率，可以容许冲击喷嘴材料。此外，小于1瓦，小于2瓦，或小于5瓦的激光功率的可允许冲击喷嘴材料。低功率或低功率百分比，能够获得喷嘴的高寿命。在一些实施例中可以选择较短的寿命，例如，为了其他设计方面的考虑，如用于切割作业高的功率，同时考虑喷嘴寿命等经济方面因素。
在一些实施方案中，本发明公开的方法，以保护喷嘴不被激光束损坏，例如，通过设置激光束的焦点尽可能远离保护窗口。大的焦点距离，从保护窗口到聚焦点的距离大，则可以在保护窗口上有大的激光斑点的尺寸和更小的反射激光功率撞击喷嘴侧壁。大的激光斑点尺寸可延长保护窗口的寿命性能。较低的激光功率撞击喷嘴侧壁可提高喷嘴好的寿命性能。光学系统的不同特性，可以用来实现大焦点距离。例如，焦点锥角和/或光学组件的数值孔径可以是尽可能小。
图6A-6B根据某些实施例示出了用于大焦点距离的不同原理。图6A中，聚焦透镜690可以移动640更靠近保护窗670，使得激光聚焦点可以从位置650移动到651。激光聚焦点，或者从保护窗670到达激光焦点的距离，可以表示为耦合点681/682，它是聚焦点650或651到达喷嘴的入口平面680的距离。通过增加耦合点，例如，从681改变到682时，保护窗口670上的激光光斑大小可以增加，从而减少保护窗的损伤。此外焦点从入口平面下面进一步远离可避免反射的激光束撞击喷嘴侧壁，例如，在610处，从而降低喷嘴侧壁的损伤。因此，在一些实施方案中，本发明公开了改变激光束的聚焦点，以增加耦合点，这可以改善保护窗口和喷嘴更好的寿命。耦合点可设置为一个最大值，并考虑到其它性能方面，如可能会损伤到喷嘴顶部。
如图6B所示，不同的光学组件可用于改变激光束的焦点。例如，光学组件693可以具有焦点锥体角度θ1(与聚焦点653)，光学组件694可以具有焦点锥体角度θ2(与聚焦点654)。通过用光学组件694取代了光学组件693，聚焦点可从焦点653改变到焦点654。耦合点可以从耦合点683增加为684，其可以提供与上述类似的优点。低耦合点，例如，从喷嘴入口平面，或离开保护窗口更远的聚焦点的大焦点距离，可以与焦点圆锥角θ，或者数值孔径值NA，它可以被定义为与焦点圆锥角θ，NA＝θ/2，其中n是液体的折射率，该液体形成引导激光的液体射流。
在一些实施方案中，本发明公开了一种聚焦激光束尽可能深，同时使焦点圆锥角θ，或者数值孔径值NA，尽可能地大。
在一些实施方案中，本发明公开了方法，例如，通过减少到达喷嘴入口开放处的激光束宽度，从而减少激光功率撞击喷嘴顶部的材料以保护喷嘴的顶端部。低激光能量冲击喷嘴顶部部分可改善喷嘴的更好的寿命性能。光学系统不同的特性，可以用来实现小的激光束的宽度。例如，焦点锥角和/或光学组件的数值孔径可以尽可能小。
图7A-7B，根据一些实施例示出了潜在损害的喷嘴侧壁。激光束可以聚焦到由喷嘴封闭的液体区域。如果聚焦点是如上所讨论的那么高，例如，小的耦合点，激光束可以从喷嘴的侧壁被反射。因此，一个大的耦合点可以用来减少或避免损坏喷嘴侧壁。高耦合点可以通过一个深聚焦点来表征，例如，焦点远离保护窗口或远离喷嘴入口平面。高耦合点可以通过一个小的焦点锥角θ或一个小数值孔径值来表征。对于具有相同的焦点锥体角度θ或相同数值孔径值的光学组件，聚焦透镜朝向保护窗移动可以使得激光束的聚焦点远离保护窗口。
图7A示出了由于激光反射光束对于喷嘴侧壁的潜在损害。激光束720可以通过聚焦透镜790聚焦，通过保护窗770被集中在一个焦点750。如果聚焦点750是浅的，例如，接近保护窗770时，激光束能逃脱液体边界710来冲击喷嘴730的侧壁715。在理论上，激光束可以在液体射束内部722的边界710反射，没有能量可以撞击到喷嘴侧壁。然而，在实际上，由于液体射束的变形，激光束的一部分可以穿过液体边界710来冲击喷嘴的侧壁715，可能导致在喷嘴侧壁的损伤。这种现象可以通过具有浅焦点液体喷射引导的激光系统的喷嘴的早期失效被观察到。
在一些实施方案中，本发明公开的方法，以限制激光功率撞击喷嘴的侧壁部，以提高喷嘴的寿命性能。该方法可包括最大化使得激光束的聚焦点朝向喷液，例如，以使得第一次反射避开喷嘴侧壁。激光束的聚焦点可以是尽可能深地防止在喷嘴侧壁反射，同时仍然可以满足其它的考虑，例如保护窗口和喷嘴顶端部的安全。使激光束在喷嘴入口平面下方聚焦，激光反射光束可以发生在喷嘴的外侧，以防止潜在的对喷嘴侧壁损坏。
在一些实施方案中，激光焦点可以远离喷嘴入口平面朝向喷液以进一步降低反射区域。例如，在出射面附近的区域，由于喷嘴出口的突然膨胀，液体射流可能出现不稳定状态。在这种不稳定的液体喷射区域，激光的反射可以穿过液体边界并且冲击喷嘴的底部，潜在导致喷嘴损害。
图7B示出了由于激光反射光束对于一个喷嘴侧壁的潜在损害。激光束通过聚焦透镜790聚焦，通过保护窗770聚焦于一个焦点。如果聚焦点是浅的，例如，接近保护窗770时，激光束能逃脱液体边界711并且冲击喷嘴730的底部分716。在理论上，激光束可以在液体喷射722的内部边界711反射，然而在实际上，由于液体射流离开喷嘴开口后可能形成层流。液体喷射产生变形，激光束的一部分可以穿过液体边界711来冲击喷嘴底部部分716，有可能造成对喷嘴的损坏。
在一些实施方案中，本发明公开了一种喷液的形成和它的液压原理，以构造液体射流内的激光束全内反射的合适起点。喷嘴内可以有4个不同的区域。在入口区740中，流体被挤压进入喷嘴腔入口。在腔741中可能发生不稳定液流翻转。在膨胀区742中，喷液膨胀到达喷嘴腔的直径。在喷嘴出口下方的出口区743。可能发生小湍流而形成不稳定区，之后喷液到达其最终直径，形成液体层流喷射，并且与周围环境形成明确的边界，从而使激光束可以进行内部反射。在上述不稳定区，因为有一些激光能逃脱紊流边界而冲击到喷嘴的底部分716，因此，可以潜在损害喷嘴侧壁。
在一些实施方案中，本发明公开的方法，以限制激光功率冲击喷嘴的底部，以提高所述喷嘴的寿命性能。该方法可包括设计激光束朝向喷液产生一个深聚焦点，从而使得第一次反射发生在上述不稳定区的下面，例如，在液体射流的层流部分。
在一些实施方案中，本发明公开了方法和系统来表示喷嘴侧壁或底部的潜在损害。如果激光束的一部分脱离喷液边界，喷液里面的总功率应该小于从激光源发出的功率。因此，通过测量在液体喷射出口的激光功率，激光功率损失量就可以计算出来。这个损耗会导致损坏喷嘴侧壁或底部。深的聚焦点，例如，较大的耦合点，可以用来降低功率损耗，并且还降低喷嘴的损坏。功率计可以放置在液体喷射的底部，拦截液体喷射流。功率计可以被配置为测量由所述液体喷射传递的激光束功率。功率损失的量可以根据激光源发出的功率和测量的功率来计算。功率损耗可以部分归因于激光束逸出液体喷射，这会导致损坏喷嘴。还可以有其它的激光损失，如发生在耦合部上方的光学系统。在一些实施例中，功率计可以用于有效地测量出最佳耦合点，例如，最高发射功率可能产生最好的耦合点。
图8根据一些实施例示出用于测量喷液供给功率的示意图。功率计可以截获喷液以测量由激光束的发射功率。所测量的激光功率可以与激光源发出功率进行比较，以确定潜在的功率流失，流失的功率可能会导致喷嘴的损坏。一种液体喷射引导的激光系统800可以包括一个腔室820，其被配置为引导液体流822。腔室820可以包括用于引导液体流以形成液体射流825的开口。喷嘴830可以用来控制喷液825的尺寸。保护窗870被用作将激光束880的干燥环境与喷液825的液体环境分离开来。由于内反射激光束880可以被液体射流825所封闭在里面。功率计850可以被设置到拦截液体射流825。功率计850可以操作用来测量在液体喷射内部反射的激光功率。用功率表850测定的功率量应该最大化，例如，相关的功率测量可用于优化耦合点，这可能会发生在该液体喷射内的激光功率最高的透射率。
在一些实施方案中，本发明公开了一种使用功率计来评估潜的对液体喷射引导的激光系统的损坏，例如由于激光从液体喷射脱离从而损坏喷嘴侧壁或底部。
在一些实施例中，功率计可以用来评估激光焦点的位置，并且评估潜在的对于喷嘴的损坏。激光焦点可以调节，例如，降低激光焦点朝向喷液，可以降低功率损耗，并减少对喷嘴的损坏。
在一些实施方案中，本发明公开了一种在液体喷射引导的激光系统中各种参数与各项性能之间相互影响的关系，诸如激光束和光学组件特征之间的联系，液体喷射引导的激光系统的几何形状和材料。激光束特性可以包括激光束密度分布和激光功率，这可以简化为相关的激光束宽度的耦合因子。光学组件特性可以包括激光束发散和聚焦，它可以被简化为一个聚焦透镜的聚焦锥角，(这个聚焦透镜用于将激光束聚焦在喷嘴入口的开放处)，和激光束的聚焦点(例如，耦合点参数)。几何特征可以包括喷嘴几何形状，其可以简化为喷嘴直径和深度。材料特性可包括液体的特性，如液体的折射率。焦点锥角和折射率可以组合成为数值孔径参数。关系中的参数可以被看作是系统设定的参数，或可被视为系统的性能参数。例如，数值孔径的参数可以表示光学组件在液体喷射引导的激光系统中的特性。由此，数值孔径可以是一个固定的参数，用于配置和评估其它参数。另外，数值孔径参数可以表示为保护窗口一个性能标准。由此，数值孔径可以是可变的，这可以被改变以获得所期望的或最佳的性能，例如，提高液体喷射引导的激光系统保护窗口的寿命可靠性。同样地，耦合因子和聚焦点可以用于获得喷嘴寿命性能的变量。例如，切削作业需要一定高的激光功率，例如，用于材料清除的需求。此时可以根据参数关系得到适合的数值孔径值，同时满足切割性能和可靠性的性能。
液体喷射引导的激光系统的数值孔径可以根据工作要求来考虑。如果当前的数值孔径是满意的，例如，既能根据要求执行作业又能够使得液体喷射引导的激光系统达到可接受的寿命性能，则当前的光学组件可以接受。例如，对于给定的激光功率的要求，目前的数值孔径可以提供穿过保护窗口激光功率密度不超过保护窗口的激光损伤阈值，激光束的一部分撞击到喷嘴顶端部，胎侧壁，或底部部分而不会造成对喷嘴的损坏。如果当前的数值孔径不满意，例如，计算出的数值孔径在容许范围之外，则需要更换一个新的光学组件用于提供满意的数值孔径。同样地，耦合系数和焦点可以评估和设置以满足工作要求。
在一些实施方案中，本发明公开了一种方法和使用该方法构成的系统，应用于优化液体喷射引导的激光系统的操作。该方法可以综合分析液体喷射引导的激光系统中的所有参数用来实现最大性能(例如，功率传送到工件)和最大的可靠性(例如，最小的激光功率撞击保护窗口和喷嘴)。例如，增加激光束的焦点锥角可以减少保护窗口的损坏。增加激光束的耦合因子可以减少喷嘴的损坏。增大聚焦点(例如，增加耦合点)的激光束，可以减少喷嘴损坏，并允许高功率传输。
图9A-9B根据一些实施例示出了聚焦点与喷嘴配置之间的关系。一条宽度952为1/e平方的激光束，利用几何射线910作为它的边界来表示，聚焦于一个喷嘴930的开口。利用耦合因子CF可以表示一个宽度为951 WEFF的有效激光束，耦合因子CF是宽度952与951的比率。有效激光束可以利用几何射线915来表示，它相较于几何射线910表示的1/e平方激光束大了一个缓冲区。喷嘴可以有一个直径为932DN的开口。可以使用有效喷嘴直径931 DEFF，为了使用1/e平方激光束的宽度952来代替有效激光束的宽度951，可以使用有效喷嘴直径931 DEFF。有效喷嘴直径931相较与几何喷嘴直径932相差耦合因子CF的倍数，CF，Deff＝CF*DN。激光焦平面，也被称为耦合点(CP)，它位于喷嘴入口平面980下方，以确保激光束全部内反射在喷嘴出口下方开始和激光保护窗口上的激光斑点尽可能的大。在给定了数值孔径(NA)之后实际耦合点取决于耦合系数(CF)，以及喷嘴直径(DN)。耦合因子CF(或一半的有效直径DEFF 970)，耦合点CP 977之间的关系，焦点锥体角度θ975，喷嘴几何形状的宽度DN932，这些参数之间的关系可以利用数学公式描述如下。首先，我们推导出半锥角，根据公式：
联接点CP可以计算为：
在一些实施方案中，液体喷射引导的激光系统的参数之间的关系可以是与NA是透镜的数值孔径，n是在激光束的波长的液体的折射率。的参数可以使用的激光功率密度分布，例如，在评估耦合因子CF或数值孔径NA。
式的其他变型，可以使用，例如，式中的几何喷嘴径DN被替换的有效喷嘴直径Deff，
作为一个例子，假设一个液体喷射引导的激光系统具有1064纳米的激光，聚焦数值孔径为0.40，80微米的喷嘴和0。67的耦合因子。耦合点计算位于喷嘴入口平面下方84微米。激光束的全内反射开始于喷嘴入口平面之下211微米，位于层流中。
如果我们保持喷嘴直径，激光波长和耦合因子是相同的，但只改变聚焦数值孔径为0.60(例如聚焦透镜的较小焦距)，则耦合点将减少到喷嘴入口平面下方53微米。激光束的全内反射开始于喷嘴入口平面之下131微米，也是位于层流中。这可以明确的显示，该方法可以通过改变每个单独的影响参数来调整激光耦合点，如激光波长，激光功率，激光束的能量分布，聚焦透镜的焦距和锥角以及激光聚焦光斑尺寸。
图10根据一些实施例示出了喷嘴直径为80微米的耦合点CP。耦合点，或者激光束的聚焦点，可以看出是位于喷嘴入口平面下方40微米和150微米之间。
在一些实施方案中，本发明公开了一种如何设置激光束的聚焦点是位于喷嘴入口平面之下，例如，CP大于或等于零，聚焦点小于喷嘴的直径的两倍，CP小于或等于喷嘴直径2DN，DN是喷嘴的直径，0≤CP≤2DN。
在一些实施方案中，本发明公开了一种如何设置激光束的聚焦点是位于喷嘴入口平面之下，例如，CP大于或等于零，聚焦点小于喷嘴的直径的两倍，CP小于喷嘴直径2DN，DN是喷嘴的直径，0＜CP＜2DN。
在一些实施方案中，本发明公开了设置激光束的聚焦点是在喷嘴入口平面之下，例如，CP大于喷嘴直径的分数，例如大于0.1DN，聚焦点可以小于1.9的喷嘴的直径，例如，CP小于1.9DN，0.1DN＜CP＜1.9DN。
在一些实施方案中，本发明公开了一种按照各个参数之间关系合理构建液体喷射引导的激光系统和设置液体喷射引导的激光系统参数的方法。每个参数之间的关系可以用于引导激光系统执行作业。例如，切削作业可以需要高的激光功率，如果保护窗口或喷嘴等部件的最大激光承受度没有考虑。在配置系统时可能会损坏它们。
在一些实施方案中，这种关系可以为液体喷射引导的激光系统得到最佳设置。由各个参数的调整空间可以在提供高功率性能和长期可靠性之间取得平衡。此外，在给定作业的制约下，这些关系可以用来指导改变系统参数以取得最佳的性能和可靠性。
在一些实施方案中，这些关系可以被用于设置液体喷射引导的激光系统的激光束的焦点。根据这些关系设置的焦点可以使得液体喷射引导的激光系统得到最佳性能，如最大化保护窗口和喷嘴的寿命性能。
在一些实施方案中，这些关系可以被用于设置液体喷射引导的激光系统的数值孔径。数值孔径可以关系到所述保护窗上的激光功率密度的照射。因而根据数值孔径的值可以得到一定范围的激光功率，这些激光功率虽然冲击保护窗口但是低于激光损伤阈值。对要求更高的激光功率作业，数值孔径可以评估和改变，使得激光束撞击保护窗口不至于超出保护窗口的损伤阈值。数值孔径可以是在0。25和0。75之间，较高值表示为保护窗口的寿命增加，这是由于激光束在保护窗口上面更加分散。例如，对于低的激光功率，数值孔径可以适当的低一些，例如，只要在保护窗口的激光照射低于激光损伤阈值。当需要更高的激光功率，低数值孔径可能不够大，而需要一个新的较高的值，可以通过计算以确保保护窗口的寿命性能。设定的数值孔径后，其他参数可以根据对最佳系统性能的关系进行设置。例如，激光束的焦点可以根据各个参数关系进行计算，在给定了数值孔径后得到得到激光聚焦的最佳设置。
在一些实施方案中，该关系可以被用于设置液体喷射引导的激光系统的耦合因子。耦合因子关系到激光功率冲击喷嘴部分。因而根据耦合因子的值可以得出一定范围的激光功率，这些激光功率虽然冲击喷嘴但是低于激光损伤阈值。耦合因子可以是任何值，当耦合因子较低时降低了激光功率撞击喷嘴，从而提供更好的寿命性能。在一些实施方案中，耦合因子应该小于1，因为耦合因子为1时，激光功率的大约14％会冲击喷嘴材料，可能已经超出喷嘴材料的激光损伤阈值。对于高的激光功率，可以使用低耦合因子的值，例如大于0.2，大于0.3，大于0.4或大于0.5，这取决于激光功率水平。例如，在耦合因子为0.67时，激光功率的大约1％可冲击喷嘴材料。这样的耦合因子值可以适用于一定范围的激光功率，如100瓦的激光，由于只有约1W的激光功率会冲击喷嘴材料。对于更高的激光功率，可使用能够提供约1W的激光功率冲击喷嘴的耦合因子。设置耦合因子后，其他参数可以根据对最佳系统性能的关系进行设置。例如，激光束的焦点可以根据这些参数的关系进行计算，在给定了耦合因子后得到激光聚焦的最佳位置。
在一般情况下，耦合因子的较低值可使喷嘴得到更好寿命性能。然而，根据参数关系所决定的最佳条件，较低的耦合因子可以导致更短的焦点值。较短焦点值会导致损坏喷嘴侧壁或喷嘴底部，因此需要在耦合因子(它取决于喷嘴顶端部的损坏)和焦点(它取决于破坏侧壁和喷嘴的底部部分)之间取得平衡。平衡点可由各个参数之间关系得出，从而得到系统的最佳配置。例如，对于低耦合因子，可以期望得到高的喷嘴保护。根据参数关系对于给定的耦合系数计算得出的聚焦值是合适的，则给定耦合因子可以得到最好的保护。如果聚焦值不恰当，例如，太小，使得内反射会出现在喷嘴或喷液不稳定的部分，则需要重新制定耦合系数，以平衡喷嘴顶端部的保护(取决于聚焦值)喷嘴侧壁和底部部分的保护(取决于耦合因子)。换句话说，聚焦值可以首先确定，耦合因子可以通过参数关系来计算。给定的聚焦值和计算出的耦合因子可以交替评估，以实现喷嘴寿命性能的平衡。
在一些实施方案中，本发明公开了在液体喷射引导的激光系统中根据各种参数之间的关系提供一种最佳的系统性能，可允许各种参数之间评价和折衷，同时保持系统的最佳性能。
在一些实施方案中，本发明公开了一种在配置液体喷射引导的激光系统时，利用各种参数相互关联的性能和设置液体喷射引导的激光系统的参数的方法，以满足功率要求或寿命的要求。确定功率要求后，液体喷射引导的激光系统的参数可根据参数关系进行最佳性能的配置。此外，对于不同的性能要求可以考虑采用不同的参数值。例如，可以通过设置适当的数值孔径获得保护窗口的寿命性能。喷嘴的寿命性能可以通过设置适当的耦合因子和聚焦点来获得。这些性能之间的平衡和折中可以通过改变参数关系来得到，以确保整体最佳性能。在某些情况下，可以实现保护窗口和喷嘴高寿命的性能。在某些情况下，为了得到保护窗高寿命性能，喷嘴寿命性能就不得不降低。在另外一些情况下，实现喷嘴高寿命性能，就不得不降低保护窗口寿命性能。在任何情况下，本发明公开了一种通过调整参数关系合理配置液体喷射引导的激光系统以达到整体的最佳设置。
在一些实施方案中，液体喷射引导的激光系统的参数可被设置为满足功率需求。数值孔径可以首先确定，使得高功率激光束对于保护窗口的照射不超过保护窗口的损伤阈值。数值孔径可以在0.25和0.75之间，较高值表示为保护窗口增加寿命。设定的数值孔径后，其他参数可以根据最佳系统性能的关系进行设置。例如，激光束的焦点可以从参数关系进行计算，对于给定的数值孔径使得激光聚焦在最佳位置。
在一些实施方案中，耦合因子可以首先确定，使得高功率激光束对于喷嘴的冲击不超过喷嘴的损伤阈值。耦合系数可以是在0.2(或0.3，0.4或0.5)和1，具有较低的值表示为喷嘴增加寿命。设置耦合因子后，其他参数可以根据对最佳系统性能的关系进行设置。例如，激光束的焦点可以从参数关系进行计算，对于给定的耦合因子使得激光聚焦在最佳位置。该过程可以重复，例如，为了获得满意的聚焦点。而耦合因子和聚焦点直接相关，对于保护喷嘴起到相反效果。降低耦合因子可以提供更好的喷嘴保护，但会导致低耦合点，例如，聚焦点靠近喷嘴入口平面，这可能会导致喷嘴的其它部分损伤。因此，通过交替选择，可以使得耦合因子和聚焦点之间达到平衡，使得喷嘴得到最佳保护。
在一些实施方案中，数值孔径和耦合因子可以首先被确定。例如，数值孔径可以根据保护窗口的期望寿命性能来确定。耦合因子可以基于喷嘴的期望寿命性能来确定。设定的数值孔径和耦合因子后，其他参数可以根据对最佳系统性能的关系进行设置。例如，激光束的焦点可以根据参数关系进行计算，对于给定的数值孔径和耦合因子使激光聚焦在最佳位置。该过程可以重复，以获得令人满意的聚焦点，使得整体性能达到最佳设置。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (15)

1.一种用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法，其特征在于：所述方法包括根据液体喷射引导激光系统中的激光束的焦点、激光束的聚焦锥角以及基于激光束的功率密度分布的激光束的有效宽度之间关系，设置液体喷射引导激光系统的参数；液体喷射引导的激光系统的参数之间的关系是：
其中CP是用于表示耦合点，CF是表示用于通过标准激光功率密度分布的喷嘴的入口开放部分的耦合因子，DN是喷嘴的直径，NA是所述液体喷射引导激光系统的聚焦透镜的数值孔径，n是液体在激光束的波长处的折射率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述聚焦锥角由所述液体喷射引导激光系统的激光束的聚焦透镜的光圈数值孔径表示。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述数值孔径被选择为在0.25和0.75之间。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有效宽度由所述液体喷射引导激光系统的喷嘴的有效直径表示。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有效宽度与液体喷射引导激光系统的喷嘴的功率水平相关。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述功率水平被选择为小于功率输入的5W。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述关系还可以为
其中CP是用于表示耦合点，
其中Deff是喷嘴的有效直径；
其中NA是所述液体喷射引导激光系统的聚焦透镜的数值孔径；
其中n是液体在激光束的波长处的折射率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述关系还可以为
其中CP是用于表示耦合点，
其中CF是表示用于通过标准激光功率密度分布的所述喷嘴的入口开口的一部分的耦合因子；
其中DN是喷嘴的直径；
其中θ是所述液体喷射引导激光系统的激光束的聚焦锥角。
9.一种用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法，其特征在于，所述方法包括：确定液体喷射引导激光系统的激光束的功率输入或液体喷射引导激光系统的寿命要求；根据液体喷射引导激光系统中的激光束的焦点，激光束的焦点锥角和激光束的有效宽度之间的关系以及激光束的功率密度分布来设置液体喷射引导激光系统的参数；液体喷射引导的激光系统的参数之间的关系是：
其中CP是用于表示耦合点，CF是表示用于通过标准激光功率密度分布的喷嘴的入口开放部分的耦合因子，DN是喷嘴的直径，NA所述液体喷射引导激光系统的聚焦透镜的数值孔径，n是液体在激光束的波长处的折射率。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述液体喷射引导激光系统的设置参数包括：
确定所述数值孔径的值以防止对所述液体喷射引导激光系统的保护窗口的损坏；
根据所述关系计算聚焦点；
根据所述聚焦点设置所述液体喷射引导激光系统的激光束的焦点。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述液体喷射引导激光系统的设置参数包括：
确定冲击喷嘴的功率输入的值；
根据所述关系计算聚焦点；
根据所述聚焦点设置所述液体喷射引导激光系统的激光束的焦点。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述液体喷射引导激光系统的设置参数包括：
确定冲击所述液体喷射引导激光系统的保护窗口的所述功率输入的第一数值；
确定所述数值孔径的第二数值以实现所述第一数值；
确定冲击所述喷嘴的所述功率输入的第三数值；
根据所述关系计算聚焦点；
根据所述聚焦点设置所述液体喷射引导激光系统的激光束的焦点。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述数值孔径被选择为在0.25和0.75之间。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于：冲击所述喷嘴的所述功率输入的值被选择为小于所述功率输入的5W。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述关系还可以为
其中CP是用于表示耦合点，
其中CF是表示用于通过标准激光功率密度分布的所述喷嘴的入口开口部分的耦合因子；
其中DN是所述喷嘴的直径；
其中θ是所述液体喷射引导激光系统的激光束的焦点锥角。
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