CN107662046B - 一种离轴光路的水导激光加工耦合装置 - Google Patents

一种离轴光路的水导激光加工耦合装置 Download PDF

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Abstract

一种离轴光路的水导激光加工耦合装置，该装置包括CCD、成像透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、隔水玻璃、喷嘴、激光器、第一聚焦透镜Z向移动机构、X‑Y移动平台和耦合水腔。本发明在激光光路中采用两个聚焦透镜进行聚焦，第一聚焦透镜可以进行Z方向调节，第二聚焦透镜与喷嘴固定在耦合水腔内，耦合水腔固定在X‑Y移动平台上，使第一聚焦透镜与第二聚焦透镜形成一种离轴光路系统。本发明可使激光光斑相对喷嘴中心的位移小于移动平台的实际位移，从而实现对移动分度及移动增量的进一步细分，这对微米级的激光光斑与喷嘴对准十分有利，可实现更高精度的耦合对准，同时解决了现有技术中由于耦合对准中的不准确性所造成的激光传输效率降低的问题。

Description

一种离轴光路的水导激光加工耦合装置
技术领域
本发明涉及水导激光加工技术领域，具体涉及一种水导激光耦合装置。
背景技术
水导激光技术是1993年瑞士Bernold博士提出的一种激光水射流复合加工方法。该方法在微细水柱中引入激光进行切割，微细水柱既能传导激光，又能冷却工件，去除熔融产物。一方面继承了激光切割无机械压力、无工件变形、无刀具磨损、切口宽度窄等优点，另一方面微细水柱起到良好的散热作用，减少切割区域附近的热效应，有效带走熔渣避免污染和重熔，大大提高切割质量。
水导激光核心技术是水导激光耦合装置，其主要作用是产生纤细稳定的水束，并将激光耦合进入水束中。耦合原理是先将高能激光束进行聚焦以减小激光束腰尺寸，然后调整束腰与射流喷嘴的相对位置，使激光能量全部进入水束光纤中，激光会在水束与空气交界处发生全反射进而向前传输，直达待加工工件表面。实现激光与水射流耦合，一方面要求聚焦激光束腰直径要小于喷嘴直径，且发散角要小于全反射临界角。另一方面要求激光束腰与喷嘴具有较高的对中性。
国内外学者设计了多种形式的耦合装置。最早的耦合装置由Bernold博士设计，该装置的光学系统将光纤输出的激光进行准直后，经由一个透镜进行聚焦，直接进行耦合，该装置首次实现了水导激光加工。国内哈尔滨工业大学李灵博士等通过单聚焦透镜进行水束激光耦合，基于图像处理的方法，识别激光在喷嘴表面的烧斑位置和孔口位置，得到相对偏移进而进行耦合对准。厦门大学叶瑞芳等提出使用轴棱锥代替凸透镜进行聚焦，其优点是可以产生无衍射且中心光斑直径较小的光束。但不论采用何种方法，喷嘴尺寸和激光束腰直径都很小，属微米级，这对机械移动平台的精度和分辨率提出了很高的要求，耦合对中的不准确将对激光传输效率产生严重影响，甚至会将喷嘴打坏，无法进行水导激光加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于离轴光学系统的水导激光耦合装置，使其方便调节，且进一步提高耦合对准的精度。
本发明的技术方案如下：
一种离轴光路的水导激光加工耦合装置，该装置包括CCD、成像透镜、45°平面反射镜、第一聚焦透镜、耦合水腔、喷嘴、隔水玻璃和激光器，其特征在于：所述装置还包括第二聚焦透镜、X-Y移动平台和第一聚焦透镜Z向调节机构；所述第二聚焦透镜与喷嘴固定在耦合水腔内，第二聚焦透镜与喷嘴同轴安装；所述耦合水腔固定在X-Y移动平台上；
激光器出射的高斯激光束经准直后水平入射到45°平面反射镜，反射后的激光束依次通过第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，进入耦合水腔中，经喷嘴上表面反射的光束依次通过第二聚焦透镜和第一聚焦透镜，之后透过45°平面反射镜，再经成像透镜于CCD中成像。
上述技术方案中，喷嘴上表面与第二聚焦透镜出射激光束腰位置在同一平面内，即喷嘴上表面与第二聚焦透镜出射面轴向距离l3满足以下关系：
其中：
l3表示第二聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜出射面的轴向距离；
l2表示第一聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜入射面的轴向距离；
f2表示第二聚焦透镜焦距；
zi1表示第一聚焦透镜出射激光的瑞利长度。
优选地，所述45°平面反射镜的透射率为1％-5％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：由于本发明在耦合水腔中增加了第二聚焦透镜，使第二聚焦透镜与喷嘴同轴安装，且耦合水腔固定在X-Y移动平台上，喷嘴和第二聚焦透镜可以通过X-Y移动平台在X和Y方向上进行调节，这样第一聚焦透镜与第二聚焦透镜便形成了一种离轴光路系统；该装置不仅调节方便，而且可使激光光斑相对喷嘴中心的位移小于X-Y移动平台的实际位移，从而使激光束腰与喷嘴相对位置的最小分度和最小调整量小于X-Y移动平台自身的最小分度和最小调整量，即提高移动分辨率，实现更高精度的耦合对准，同时解决了现有技术中由于耦合对准中的不准确性所造成的激光传输效率降低的问题。
附图说明
图1为本发明提供的离轴光路的水导激光加工耦合装置的主剖面图。
图2为在耦合水腔中设置第二聚焦透镜的结构示意图。
图3为本发明的整体结构示意图。
图4为高斯光束通过两个聚光透镜变换的原理示意图。
图5a为第一聚焦透镜的Z向调整量与激光束腰Z向位置的关系。
图5b为第二聚焦透镜的径向偏移量与激光束腰径向偏移量关系。
图中：1-CCD、2-成像透镜、3-45°平面反射镜、4-第一聚焦透镜、5-第二聚焦透镜、6-喷嘴、7-激光器、8-第一透镜Z向调节机构、9-X-Y移动平台、10-耦合水腔；10a-耦合水腔下端盖；10b-耦合水腔上端盖；10c-密封圈；11-隔水玻璃。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
参见图1和图3,本发明提供的一种离轴光路的水导激光加工耦合装置主要包括CCD、成像透镜2、45°平面反射镜3、第一聚焦透镜4、耦合水腔10、喷嘴6、隔水玻璃11、激光器7、第二聚焦透镜5、X-Y移动平台9和第一聚焦透镜Z向调节机构8。所述第二聚焦透镜5和喷嘴6固定在耦合水腔10内，第二聚焦透镜5与喷嘴6同轴安装(如图2所示)，所述耦合水腔10固定在X-Y移动平台9上。通过X-Y移动平台带动第二聚焦透镜在径向移动，使第一聚焦透镜4与第二聚焦透镜5形成离轴光路。
为了使部分反射激光能够通过45°平面反射镜，所述45°平面反射镜3的透射率应在1％-5％范围内为宜。CCD的可探测波长范围应该包含激光的波长，这样反射激光才能够在CCD中成像。
图2为在耦合水腔中设置第二聚焦透镜的结构示意图，耦合水腔10含有耦合水腔下端盖10a；、耦合水腔上端盖10b和密封圈10c；在耦合水腔内设有第二聚焦透镜5、隔水玻璃11和喷嘴6，第二聚焦透镜5和喷嘴6分别设置在隔水玻璃的上方和下方。
激光器7出射的高斯激光束经准直后水平入射到45°平面反射镜3，反射后的激光束依次通过第一聚焦透镜4和第二聚焦透镜5，进入耦合水腔10中，经喷嘴上表面反射的光束依次通过第二聚焦透镜5和第一聚焦透镜4，之后透过45°平面反射镜，再经成像透镜于CCD中成像。
图4是离轴高斯光束通过两个聚焦透镜变换的原理示意图，本发明主要特点是采用了两个聚焦透镜进行聚焦，且两个聚焦透镜可形成离轴光学系统，第一聚焦透镜4通过第一聚焦透镜Z向调节机构8在Z方向移动，第二聚焦镜5与喷嘴6固定在耦合水腔10内，耦合水腔固定在X-Y移动平台上可以进行X、Y方向调节。根据离轴高斯光束的传输与变换原理，可以得到：
θ＝arctan(-y0/f2)式(3)
式中：
ξd表示第二聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜中心轴线的径向距离
l3表示第二聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜出射面的轴向距离；
θ表示出射光束轴线Z'相对于Z轴的倾斜角；
l2表示第一聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜入射面的轴向距离；
f2表示第二聚焦透镜焦距；
y0表示第二聚焦透镜径向偏移量；
zi1表示第一聚焦透镜出射激光的瑞利长度。
由式(1)可知，束腰Z方向位置与y0无关，只与两个聚焦透镜焦距和他们的相对位置有关；由式(3)可知，不论偏移量y0为何值，出射光束均经过第二聚焦透镜的焦点，但其束腰并不在透镜焦点处，其束腰的径向位置和轴向位置分别由ξd和l3决定。由式(2)可知，ξd与y0成正比，其比例系数由两个聚焦透镜焦距和他们的相对位置决定。
根据上述原理，可以通过设计第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦距及其相对位置，对式(2)中比例系数进行调整，使比例系数小于1，从而使激光束腰与喷嘴相对位置的最小分度和最小调整量小于X-Y移动平台自身的最小分度和最小调整量，即提高移动分辨率，实现更高精度的耦合对准。
实施例：
以一组光路参数为例，如表1所示：
表1 实验装置光路参数
根据式(1)～式(3)，在matlab中进行编程得到第二聚焦透镜在移动范围内变化时第二聚焦透镜出射激光束腰位置相对喷嘴位置的X、Y方向变化范围，第一聚焦透镜在移动范围内变化时第二聚焦透镜出射激光束腰位置相对喷嘴位置的Z方向变化范围。计算结果如图5所示，从图5b可以看到第二聚焦透镜偏移量与束腰径向偏移量呈线性关系，其分辨率约提高5倍，假设原XY移动平台最小分度10μm，最小调整量2μm，那么该系统可使XY最小分度达到2μm，最小调整量达到0.4μm。从图5a可以看到第一聚焦透镜的Z向调整量与束腰的Z向位移也基本呈线性关系，其分辨率约提高了25倍。
一束准直激光水平入射进入激光加工头，经45°反射镜反射后依次经第一聚焦透镜、第二聚焦透镜至喷嘴上表面。其中，第一聚焦透镜为焦距200mm的平凸透镜，可沿Z轴作±5mm范围移动，以调节束腰轴向(即Z向)位置，第二聚焦透镜焦距为20mm，与喷嘴共同固定于耦合水腔中，耦合水腔安装在X-Y移动平台上，可实现X、Y轴独立移动，以调整激光焦斑与喷嘴的径向(X、Y向)位置。喷嘴图像和喷嘴表面的反射激光，依次通过第二聚焦透镜、第一聚焦透镜、45°反射镜和成像透镜，在最上方的CCD中成像。通过CCD观察喷嘴及光斑相对位置，在X方向分别移动光斑到喷嘴左右边界，记录对应X值，其平均值即为喷嘴X坐标。Y方向对准方法与X方向相同，因此提高X、Y方向的微调分辨率对提高对准精度非常重要。在X、Y方向对中完毕后，进行Z方向调整，Z方向的调整原理为在水束下放置激光功率计，中间用石英玻璃片隔开，调整第一聚焦透镜的位置使耦合到水束中的激光能量最高，此时认为达到耦合对准的Z向位置。

Claims (2)

1.一种离轴光路的水导激光加工耦合装置，该装置包括CCD(1)、成像透镜(2)、45°平面反射镜(3)、第一聚焦透镜(4)、耦合水腔(10)、喷嘴(6)、隔水玻璃(11)和激光器(7)，其特征在于：所述装置还包括第二聚焦透镜(5)、X-Y移动平台(9)和第一聚焦透镜Z向调节机构(8)；所述第二聚焦透镜(5)与喷嘴(6)固定在耦合水腔(10)内，第二聚焦透镜(5)与喷嘴(6)同轴安装；所述耦合水腔(10)固定在X-Y移动平台(9)上；
激光器(7)出射的高斯激光束经准直后水平入射到45°平面反射镜(3)，反射后的激光束依次通过第一聚焦透镜(4)和第二聚焦透镜(5)，进入耦合水腔(10)中，经喷嘴上表面反射的光束依次通过第二聚焦透镜(5)和第一聚焦透镜(4)，之后透过45°平面反射镜，再经成像透镜于CCD中成像；
喷嘴上表面与第二聚焦透镜出射激光束腰位置在同一平面内，即喷嘴上表面与第二聚焦透镜出射面轴向距离l3满足以下关系：
其中：
l3表示第二聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜出射面的轴向距离；
l2表示第一聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜入射面的轴向距离；
f2表示第二聚焦透镜焦距；
zi1表示第一聚焦透镜出射激光的瑞利长度。
2.根据权利要求1所述的一种离轴光路的水导激光加工耦合装置，其特征在于：45°平面反射镜(3)透射率在1％-5％。
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