CN109623140B - 光纤与水导激光耦合加工装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤与水导激光耦合加工装置，属于激光加工技术领域。光纤与水导激光耦合加工装置包括结构框架和光纤；结构框架由上至下依次包括层流腔室和气体腔室；光纤沿竖直方向固定在层流腔室中；层流腔室开设有进液口，层流腔室的底壁开设有出液口；光纤与层流腔室之间形成环形空间；气体腔室开设有进气口，气体腔室的底壁开设有水导激光出口。该装置提高了激光的全反射效率以及激光与液体之间的耦合功率，从而得到了大功率耦合激光，提高了该激光的加工深度，使加工深度达到10mm以上。

Description

光纤与水导激光耦合加工装置及系统

技术领域

本申请涉及一种光纤与水导激光耦合加工装置及系统，属于激光加工技术领域。

背景技术

水导激光加工技术是一种微细水射流引导激光进行加工的技术，由于激光在水中与空气中的折射率不同，使水中传播的激光在水束与空气的界面上发生全反射而被限制在水束内，水束起导光纤维的作用。

现阶段，专利CN108262556A中公开了一种大功率耦合水导激光加工装置，该装置包括液体腔室，窗口透镜，液体腔室包括聚焦透镜、支撑结构及液体缩流传导装置，液体缩流传导装置的内壁涂有全反射图层，利用全反射涂层及旋转水导激光的方法，提高了激光耦合功率，并且进一步拓展了激光加工的深度能力。专利CN108581224A中公开了一种旋转式激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法，该装置包括：支撑部和缩流传导装置，支撑部内通有与激光耦合的液体；缩流传导装置设置于支撑部的下方并与支撑部相连通；其中，缩流传导装置内设有液体腔室和封装气体层；封装气体层设置于液体腔室外；液体腔室的横截面直径沿激光的传输方向逐渐减小，并形成传导端，传导端的主轴与激光主光轴成锐角倾斜；缩流传导装置绕激光主光轴自转，该专利中旋转激光加工的方式改善加工深度。

然而，现有技术中的水导激光加工装置，由于液体和激光进行耦合时，耦合功率还是比较低且激光的全反射效率也比较低，使得激光的输出功率较低，因此激光的加工深度还是不能满足一些场合的需求。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种光纤与水导激光耦合加工装置，该装置提高了激光的全反射效率以及激光与液体之间的耦合功率，从而得到了大功率耦合激光，提高了该激光的加工深度，使加工深度达到10mm以上。

本申请提供的光纤与水导激光耦合加工装置，包括结构框架和光纤；

所述结构框架由上至下依次包括层流腔室和气体腔室；

所述光纤沿竖直方向固定在所述层流腔室中；

所述层流腔室开设有进液口，所述层流腔室的底壁开设有出液口；

所述光纤与所述层流腔室之间形成环形空间；

所述气体腔室开设有进气口，所述气体腔室的底壁开设有水导激光出口。

可选地，所述环形空间内固定有层流组件，所述层流组件包括至少一个环状过滤网，所述环状过滤网的内周边与光纤的外周壁抵触，所述环状过滤网的外周边与所述层流腔室的内周壁抵触。

可选地，所述层流组件包括第一环状过滤网和第二环状过滤网，所述第一环状过滤网和第二环状过滤网沿所述光纤的轴向方向间隔分布，所述第一环状过滤网和第二环状过滤网之间填充有海绵体。

可选地，所述层流组件还包括第三环状过滤网，所述第三环状过滤网位于所述第二环状过滤网的下方，所述第二环状过滤网和第三环状过滤网之间夹设有多根导流管。

可选地，所述导流管的上端与所述第二环状过滤网抵顶，所述导流管的下端与所述第三环状过滤网抵顶。

可选地，所述层流腔室的出液口为第一缩径口，所述第一缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

可选地，所述光纤的底面与所述第一缩径口的出液面位于同一平面上。

可选地，所述气体腔室中固定有气体过滤装置，所述气体过滤装置套设在所述第一缩径口上，所述气体腔室的进气口位于所述气体过滤装置的上方。

可选地，所述水导激光出口为第二缩径口，所述第二缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

本申请的另一方面提供了一种光纤与水导激光耦合加工系统，包括：电控系统、激光器、光学元件、液体传输单元、气体传输单元以及上述任一项所述的光纤与水导激光耦合加工装置；

所述电控系统分别与所述激光器、气体传输单元和液体传输单元电连接；

所述光学元件位于所述激光器和所述光纤与水导激光耦合加工装置之间；

所述液体传输单元和所述光纤与水导激光耦合加工装置中的层流腔室的进液口连接；

所述气体传输单元和所述光纤与水导激光耦合加工装置中的气体腔室的进气口连接。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的光纤与水导激光耦合加工装置，通过在层流腔室内设置层流组件，从而使进入层流腔室的液体形成稳定的层流，该层流液体对由光纤中射出的激光进行包覆形成含有激光的液束，同时气体对该液束进行包覆，激光在液气层流界面发生全反射，激光在光纤和水导中耦合，稳定的层流液束提高了激光的全反射效率，也提高了激光在光纤和水导中的耦合效率。

2)本申请所提供的光纤与水导激光耦合加工装置，由于液体具有稳定的层流特性，因此改善了系统的稳定性，减少了光散射带来的破坏与损伤，提高了光液耦合功率。

3)本申请所提供的光纤与水导激光耦合加工装置，由于具有较高的全反射效率和光液耦合功率，因此可以输出大功率耦合激光，即该激光在微米尺度下可达到千瓦级功率，加工深度达到10mm以上。

4)本申请所提供的光纤与水导激光耦合加工装置，生产成本低。

附图说明

图1为本实施例提供的光纤与水导激光耦合加工装置结构示意图；

图2为本实施例提供的光纤与水导激光耦合加工装置中的水导激光传导示意图；

图3为本实施例提供的光纤与水导激光耦合加工系统的结构框架图。

部件和附图标记列表：

100结构框架； 101层流腔室； 1011进液口；

1012出液口； 102气体腔室； 1021进气口；

1022水导激光出口； 1023气体过滤装置； 200光纤；

301第一环状过滤网； 302第二环状过滤网；

303第三环状过滤网； 304海绵体； 305导流管；

11电控系统； 12激光器； 13光学元件；

14液体传输单元； 15气体传输单元；

16光纤与水导激光耦合加工装置； 17工件。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本申请提供了一种光纤与水导激光耦合加工装置，包括结构框架100和光纤200；结构框架100由上至下依次包括层流腔室101和气体腔室102；光纤200沿竖直方向固定在层流腔室101中；层流腔室101开设有进液口1011，层流腔室101的底壁开设有出液口1012；光纤200与层流腔室101之间形成环形空间；气体腔室102开设有进气口1021，气体腔室102的底壁开设有水导激光出口1022。

本申请所提供的光纤与水导激光耦合加工装置，通过在光纤与层流腔室之间形成环形空间，使得进入层流腔室的液体形成层流，该层流液体对由光纤中射出的激光进行包覆形成含有激光的液束，同时气体对该液束进行包覆，激光在液气层流界面发生全反射，激光在光纤和水导中耦合，层流液束提高了激光的全反射效率，也提高了激光在光纤和水导中的耦合效率。

具体地，本申请中的光纤200可以为玻璃光纤，或者也可以为塑料光纤，本申请对光纤的种类不做具体限定，只要能够实现沿竖直方向传输激光的效果即可。光纤200、层流腔室101的出液口1012、气体腔室102的水导激光出口1022三者为同轴设置，以使激光依次穿过光纤200、出液口1012、水导激光出口1022射出。

在层流腔室101的外壁上开设有至少一个进液口1011。当进液口1011为多个时，可以沿周向均匀分布，以使液体均匀地进入层流腔室101中。优选地，进液口1011分布在层流腔室101侧壁的上部或者分布在层流腔室101的顶壁上。液体进入层流腔室101中环形空间形成稳定的层流，该层流液体对由光纤射出的激光进行包覆，形成包裹有激光的液束。

气体腔室102的侧壁上开设有至少一个进气口1021。当进气口1021为多个时，多个进气口1021可以沿周向均匀分布，以使气体均匀地进入气体腔室102中。气体由进气口1021进入气体腔室102中，对由出液口1012射出的含有激光的液束进行包裹，气体和液体之间形成了气液层流界面，该气液层流界面构成了激光发生全反射的必要条件。

可选地，环形空间内固定有层流组件，层流组件包括至少一个环状过滤网，环状过滤网的内周边与光纤200的外周壁抵触，环状过滤网的外周边与层流腔室101的内周壁抵触。

本申请所提供的光纤与水导激光耦合加工装置，通过在层流腔室内设置层流组件，从而使进入层流腔室的液体形成稳定的层流。稳定的层流液束进一步提高了激光的全反射效率，也进一步提高了激光在光纤和水导中的耦合效率。

具体地，环状过滤网位于进液口1011与出液口1012之间，且环状过滤网的内周边与光纤200的外周壁抵触，环状过滤网的外周边与层流腔室101的内周壁抵触，以使从进液口1011流入的液体全部经过环状过滤网处理后再由出液口1012流出。当环状过滤网为多个时，多个环状过滤网沿光纤200的轴向间隔排列。环状过滤网上具有大量的过滤孔，以使液体经过环状过滤网时产生群孔层流效果。

可选地，层流组件包括第一环状过滤网301和第二环状过滤网302，第一环状过滤网301和第二环状过滤网302沿所述光纤的轴向方向间隔分布，第一环状过滤网301和第二环状过滤网302之间填充有海绵体。

具体地，层流组件包括2个环状过滤网，分别为第一环状过滤网301和第二环状过滤网302，2个环状过滤网同轴设置。在第一环状过滤网301和第二环状过滤网302之间填充有海绵体304，海绵体304具有储水蓄能的作用，因此有利于液体形成更稳定的层流。

可选地，层流组件还包括第三环状过滤网303，第三环状过滤网303位于第二环状过滤网302的下方，第二环状过滤网302和第三环状过滤网303之间夹设有多根导流管。

具体地，层流组件包括3个环状过滤网，分别为第一环状过滤网301、第二环状过滤网302、第三环状过滤网303，3个环状过滤网同轴设置。在第二环状过滤网302和第三环状过滤网303之间设置有多个导流管305。导流管305有利于液体形成稳定的层流。

导流管305的上端抵顶在第二过滤网302上，导流管305的下端抵顶在第三过滤网303上。导流管305可以沿径向等间距排列，或者也可以沿周向等间距排列，本申请对导流管305的具体排列方式不做限定。导流管305可以为实心管，或者也可以为空心管。当导流管305为空心管时，液体可以从管内和管外同时进行层流处理。

当然，在本申请中，环状过滤网、海绵体304和导流管305之间可以按照任意合适的方式进行组合。在一个具体的示例中，可以含有多个环状过滤网，在环状过滤网之间均安装有导流管305；在另一个示例中，还可以在多个环状过滤网之间均填充有海绵体；在其他的示例中，还可以在相邻的环状过滤网之间由上至下依次设有海绵体和导流管。

可选地，层流腔室101的出液口1012为第一缩径口，第一缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

具体地，如图1所示，第一缩径口可以为向层流腔室101内凹的弧面状，当然还可以为倒圆台状。第一缩径口对液体进行缩流，使得流出的液体更加稳定，而且也有利于形成直径较小的液束，从而提高激光的功率。

可选地，光纤200的底面与第一缩径口的出液面位于同一平面上或者光纤200的下端穿过第一缩径口向下伸出。

具体地，如图2所示，光纤200的下端的底面与第一缩径口的出液面位于同一平面上或者光纤200的下端穿过第一缩径口向下伸出一段距离，从光纤200的底面射出的激光直接进入层流液体与气体所形成的水导中，激光在水导中的液气层流界面发生全反射，提高了光纤和水导的耦合效率。

可选地，气体腔室102中固定有气体过滤装置1023，气体过滤装置1023套设在第一缩径口上，气体腔室102的进气口1021位于气体过滤装置1023的上方。

具体地，进入气体腔室102中的气体经气体过滤装置1023处理后对含有激光的液束进行包裹。气体过滤装置1023有利于改善气体的均匀性，并且气体对含有激光的液束也形成了压缩效果，使得液束具有更小的直径，有利于提高激光的功率。

可选地，水导激光出口1022为第二缩径口，第二缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

具体地，如图1所示，第二缩径口为向气体腔室102内凹的弧面。改结构有利于气体对液束形成更好的压缩效果，以进一步提高激光的功率。

本申请还提供了一种光纤与水导激光耦合加工系统，包括：电控系统11、激光器12、光学元件13、液体传输单元14、气体传输单元15以及上述任一项所述的光纤与水导激光耦合加工装置16；

电控系统11分别与激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14电连接；

光学元件13位于激光器12和光纤与水导激光耦合加工装置16之间；

液体传输单元14和光纤与水导激光耦合加工装置16中的层流腔室101的进液口1011连接；

气体传输单元15和光纤与水导激光耦合加工装置16中的气体腔室102的进气口1021连接。

实施例1

图1为本实施例提供的光纤与水导激光耦合加工装置结构示意图，图2为本实施例提供的光纤与水导激光耦合加工装置中的水导激光传导示意图，下面结合图1～2对本实施例进行具体说明。

如图1所示，光纤与水导激光耦合加工装置由上至下依次包括层流腔室101和气体腔室101。在层流腔室102中，沿激光的传播方向依次固定由第一环状过滤网301、海绵体304、第二环状过滤网302、导流管305、第三环状过滤网303，层流腔室102的底端形成第一缩径口。光纤200沿竖直方向固定在层流腔室102中，光纤200的上端由层流腔室102顶壁开设的通孔伸出，光纤200的下端的低端面与第一缩径口的出液面齐平。气体腔室102中固定由气体过滤装置1023，气体过滤装置1023套设在第一缩径口的外周壁上，气体腔室102的底壁形成第二缩径口。

在本实施例中，激光在光纤中传播，由层流腔室进入气体腔室中。激光进入光纤前已经进行聚焦处理，激光由光纤的底面射出，然后进入层流液体和气体所形成的水导中，在水导中的液体层流界面形成全反射，最终由第二缩径口射出至工件表面。

如图2所示，激光光线在液气层流界面发生全反射；

为保证激光在液气界面的全反射效应，应满足如下条件：

其中θ1为激光与液气层流界面的入射角，θ2为折射角，n1、n2分别为光与液体、气体的折射率。假定θ2为90°，即激光在液气层流界面发生全反射，此时，计算得θ1即为激光与液气层流界面发生全反射的最小入射角，只要满足激光与液气层流界面入射角不小于θ1，那么激光就能在液气层流界面发生全反射。利用液气层流界面的全反射效应，装置将激光光线传输至加工工件17表面进行材料去除加工。

实施例2

图3为本实施例提供的光纤与水导激光耦合加工系统的结构框架图，下面结合图3对本实施例进行说明。

如图3所示，光纤与水导激光耦合加工系统包括：电控系统11、激光器12、光学元件13、液体传输单元14、气体传输单元15以及上述任一项所述的光纤与水导激光耦合加工装置16；

电控系统11分别与激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14电连接用于控制激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14；

光学元件13位于激光器12和光纤与水导激光耦合加工装置16之间用于将激光器12产生的激光导入光纤与水导激光耦合加工装置16中的光纤200中；

液体传输单元14和光纤与水导激光耦合加工装置16中的层流腔室101的进液口1011连接用于将液体导入层流腔室101中；

气体传输单元15和光纤与水导激光耦合加工装置16中的气体腔室102的进气口1021连接用于将气体导入气体腔室102中。

下面具体介绍水导激光加工系统的工作过程。

首先通过电控系统，打开液体传输单元的阀门和气体传输单元的阀门，使液体物质充满层流腔室，经层流组件处理后形成稳定的层流由出液口流出，再进入气体腔室中，在气体辅助下，形成收缩的层流水柱，从气体腔室的水导激光出口喷出；通过电控系统将激光器开启，利用光学元件反射传导，将激光导入光纤中，优选地，进入光纤的光束和光纤与水导激光耦合加工装置上端面垂直，且光束轴线和光纤与水导激光耦合加工装置的几何轴线重合；激光在光纤与水导激光耦合加工装置中，依次通过光纤、水导中的液气层流界面全反射导光等到达工件表面，进行材料去除加工。

在激光对材料进行加工的过程中，为了保证激光在液气层流界面的高效全反射效应，应保证激光光线与液气层流界面入射角不小于θ1。

随着激光加工的继续进行，光纤与水导激光耦合加工装置喷射出的层流水柱可以到达工件内部，实现对工件的高效、稳定、无热影响、大深度去除加工。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (5)

1.一种光纤与水导激光耦合加工装置，其特征在于，包括结构框架和光纤；

所述结构框架由上至下依次包括层流腔室和气体腔室；

所述光纤沿竖直方向固定在所述层流腔室中；

所述层流腔室开设有进液口，所述层流腔室的底壁开设有出液口；

所述光纤与所述层流腔室之间形成环形空间；

所述气体腔室开设有进气口，所述气体腔室的底壁开设有水导激光出口；

所述气体腔室中固定有气体过滤装置，所述气体腔室的进气口位于所述气体过滤装置的上方；

所述环形空间内固定有层流组件，所述层流组件包括至少一个环状过滤网，所述环状过滤网的内周边与光纤的外周壁抵触，所述环状过滤网的外周边与所述层流腔室的内周壁抵触；

所述层流组件包括第一环状过滤网和第二环状过滤网，所述第一环状过滤网和第二环状过滤网沿所述光纤的轴向方向间隔分布，所述第一环状过滤网和第二环状过滤网之间填充有海绵体；

所述层流组件还包括第三环状过滤网，所述第三环状过滤网位于所述第二环状过滤网的下方，所述第二环状过滤网和第三环状过滤网之间夹设有多根导流管；

所述层流腔室的出液口为第一缩径口，所述第一缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小；

所述水导激光出口为第二缩径口，所述第二缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的光纤与水导激光耦合加工装置，其特征在于，所述导流管的上端与所述第二环状过滤网抵顶，所述导流管的下端与所述第三环状过滤网抵顶。

3.根据权利要求2所述的光纤与水导激光耦合加工装置，其特征在于，所述光纤的下端的底面与所述第一缩径口的出液面位于同一平面上或者所述光纤的下端穿过所述第一缩径口向下伸出。

4.根据权利要求2所述的光纤与水导激光耦合加工装置，其特征在于，所述气体过滤装置套设在所述第一缩径口上。

5.一种光纤与水导激光耦合加工系统，其特征在于，包括：电控系统、激光器、光学元件、液体传输单元、气体传输单元以及权利要求1~4中任一项所述的光纤与水导激光耦合加工装置；

所述电控系统分别与所述激光器、气体传输单元和液体传输单元电连接；

所述光学元件位于所述激光器和所述光纤与水导激光耦合加工装置之间；

所述液体传输单元和所述光纤与水导激光耦合加工装置中的层流腔室的进液口连接；

所述气体传输单元和所述光纤与水导激光耦合加工装置中的气体腔室的进气口连接。

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