CN113579471A - 一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法，包括：装置主体及超快激光传输通道；装置主体内从上到下依次为层流腔室、光学窗口、喷嘴元件和气体腔室；超快激光经过光学窗口，穿过厚度可调的层流水层，聚焦到喷嘴元件后形成等径传输长度的耦合微细射流，气体腔室与超快激光传输通道同轴；装置主体上半部分设有多个与超快激光传播方向平行的层流腔室，层流腔室内设有层流扇叶；气体腔室设有进气口，底部设有平滑耦合微细射流的气体出口。此装置及方法实现了超快激光与微细射流高效稳定耦合。

Description

一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光精密加工领域，具体为一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法。
背景技术
水导激光技术是一项以水射流引导激光束的复合技术。目前，连续或短脉宽(脉宽大于等于纳秒)激光与射流耦合在降低材料热损伤、增加激光工作距离、改善激光在射流内能量分布等方面展现出优势。超快激光作为一种典型的“冷加工”，具有超高的脉冲功率峰值。但必须指出的是，超快激光因其焦深短，导致加工深度范围小，特别是难以解决高深径比加工的问题。将超快激光耦合微细射流，有望在一定范围内延伸超快激光等径传输长度,突破因短焦深带来的加工范围限制,甚至有望实现超快激光远程加工。但由于超快激光具有高峰值功率，对水的光致击穿阈值低，极易击穿，实现超快激光与微细射流的有效乃至高效耦合一直是个难题。
中国发明专利申请201910316944.2公开了一种采用射流约束飞秒激光的加工系统及方法，其中没有提及飞秒激光与射流耦合方法以及耦合后效果、耦合效率等，所述射流为化学反应液，所起作用为实现微腐蚀并去除工件表面变质层以及并在水射流的作用下将飞秒激光加工及溶液化学反应产生的杂质清除和带走加工过程中产生的部分热量问题，不涉及射流耦合改善激光光束传输特性实现实质性水导超快激光加工的问题。由于超快激光具有高峰值功率，对水的光致击穿阈值低，极易光致击穿。因此，对于微细射流与超快激光耦合来说，极易引起光学破坏，导致耦合进射流中的激光能量急剧减少；同时光致击穿诱导产生的高温和高压会导致等离子体膨胀，形成冲击波，使液体产生扰动，出现空化现象。因此，目前适用与射流耦合技术的主要是针对连续或脉宽大于或等于纳秒级的脉冲激光，脉宽等于或小于皮秒级的超快激光微细射流耦合、特别是高效长程耦合一直存在难以突破的挑战。
为了克服上述问题，本发明首次提出一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法，通过设计合理的耦合单元腔体结构尺寸，形成稳定的层流微细射流，实现高效长程激光能量传输。
发明内容
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：
能够解决上述技术问题的超快激光高效耦合微细射流装置及方法，包括装置主体及超快激光传输通道；
所述装置主体内为层流腔室、光学窗口、喷嘴元件和气体腔室；
所述超快激光经过所述光学窗口，穿过所述层流腔室连通的厚度可调的层流水层，聚焦到喷嘴元件后形成等径传输长度的耦合微细射流，所述耦合微细射流直径达百微米，所述气体腔室与超快激光传输通道同轴；
所述装置主体上半部分设有多个与所述超快激光传播方向平行的层流腔室，所述层流腔室连通厚度可调的层流水层；
所述喷嘴元件与所述超快激光传输通道和光学窗口同轴；
所述气体腔室设有进气口，底部设有平滑耦合微细射流边界的气体出口。
可选的，所述一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法，其特征在于，层流腔室内由上及下设有所述过滤装置、所述层流扇叶装置、所述净水装置以及所述层流出射面板。
可选的，所述层流出射面板设有阵列圆柱流道。
可选的，所述一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法，其特征在于，所述超快激光输出功率的值为0.1～20W,与所述传导介质选用的光致击穿阈值较高的去离子水作用，焦点处的激光功率密度不大于液体的光致击穿阈值。
可选的，所述超快激光穿过层流腔室单元水层厚度为0.2～1.0mm可调，此范围即可保证所述超快激光最大击穿阈值在所述去离子水光致击穿阈值内，又能减少激光能量在液体中的衰减。
可选的，所述喷嘴元件直径为0.3～0.6mm，长径比为6～13。
可选的，所述耦合微细射流使用的激光为超快激光(脉冲宽度≤10-10s)。
可选的，所述形成稳定液束喷泵的工作方式为柱塞式，水压为0.01～0.2MPa可调，并且稳定、压力脉动小。
可选的，所述气体腔室内流动气体包裹微细射流，缓解所述微细射流与周围环境引起的摩擦和阻力，约束微细射流边界，使其平滑。
可选的，所述气体腔室供给气氛可选用压缩空气、氮气或氩气等。
本发明的超快激光与液束稳定耦合的方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
1飞秒激光作为超快激光，与微细射流完成耦合，拓宽了激光与微细射流耦合的脉宽范围。
2本发明通过对流量及压强调控，实现了对超快激光与微细射流等径传输长度的调控，耦合微细射流直径达百微米，有效克服超快激光焦深短的缺点，保证实现真正的高效长程传输，提升超快激光的应用。
3本发明通过对焦点位置及射流直径的精确调控，在实现耦合对准后，对超快激光微细射流功率进行测试，最高传导效率可达62.5％。耦合状态稳定，可以实现超快激光微细射流高效耦合加工。
附图说明
图1为超快激光高效耦合微细射流装置的剖面结构示意图；
图2为超快激光高效耦合微细射流装置的俯视结构示意图；
图3为形成耦合微细射流效果图；
部件和附图标记列表：
1装置主体；2进水口；3层流腔室；30过滤装置；31层流扇叶；32净水装置；33层流出射面板；4光学窗口；5喷嘴元件；6气体腔室；60进气口；61出气口；7超快激光传输通道。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明提出了一种超快激光高效耦合微细射流的装置及方法，其技术包括光学窗口4、层流腔室3、喷嘴元件5和气体腔室6。
本实施案例中对直径600μm的喷嘴元件5产生的耦合微细射流进行稳定长度的测量。
优选地，液体选为去离子水。去离子水通过入水口2进入，供水系统调节压强变化范围为0.01～0.05MPa。
优选地，层流腔室为圆柱状，可以为6个或者8个，数量合适即可。具体地，多个层流腔室等间距阵列分布，与超快激光传输通道轴向平行。过滤装置30、层流扇叶31、净水装置32及层流出射面板33在层流腔室3内由上而下排列。去离子水由入水口2进入层流腔室3后，依次经过过滤装置30、层流扇叶31、净水装置32及层流出射面板33的过渡形成稳定的层流，汇入0.3mm厚度耦合层流腔室水层内。
具体地，层流腔室3内包含一组过滤装置30和净水装置32。过滤装置30为圆环状多孔结构，可形成层流效果。净水装置32含有活性炭，吸附液体中的杂质。
具体地，层流腔室3内包含层流扇叶31。层流增压扇叶31减小了层流腔室3中间流体和管壁附近流体之间的差异，有利于形成稳定的层流。
具体的，层流腔室3内包含层流出射面板33。层流出射面板33设有阵列圆柱流道，可选地，阵列圆柱流道数量可以为一组或者两组，数量合适即可，有利于形成稳定的层流。
具体地，飞秒激光束设置功率为10W、频率750kHz、脉宽350fs。所述飞秒激光经过光学窗口4和层流腔室3会发生两次折射，焦点较原始焦点向下移动，经计算后，得出理论移动值，调整耦合单元纵向高度，使其焦点落在喷嘴元件5孔处。同时，需要借助所述耦合对准观测设备完成对焦点的精确定位。如果光斑与喷嘴元件孔不同轴，需转动同轴调控设备的x、y微调旋钮，使光斑正好在喷嘴元件5中心。
飞秒激光在喷嘴元件5处耦合进入微细射流，在微细射流内发生全反射，由出口射出。压缩空气通过至少一个进气口60汇入气体腔室6，气体供给压强为0.1MPa，含有激光能量的微细射流进入气体腔室内，气体对其进行包覆，气液之间形成稳定的层流边界条件，使得微细射流长度呈上升趋势且稳定，长度由25mm增大到60mm。等径喷嘴元件前提下，耦合微细射流的稳定长度随着压强的增大而增大，然后到达稳定长度最大值。
具体地，气体腔室3与层流腔室6连接，便于气流导入气体腔室3均匀包裹微细射流，平滑微细射流边界，能够更方便形成具有稳定气流保护层的耦合微细射流，如图3所示。
本发明中，飞秒激光与微细射流耦合加工过程，液束对激光能量有一定程度的吸收和散射。通过对微细射流中的激光能量进行检测。本发明采用直径600μm的喷嘴元件5，形成约490μm的稳定微细射流，水压为0.05MPa，上述得知，在此压力下有较长的稳定微细射流，将功率计探头放置在距离喷嘴元件5口10mm处进行测量。当增加飞秒激光功率时，耦合微细射流激光功率也会相应的增加，两者大致呈线性增加，功率传导效率最大可达62.5％。
通过本实施例中的飞秒激光与微细射流高效耦合的方法对工件进行加工，能够在一定范围内延伸超快激光等径传输长度,突破因短焦深带来的加工范围限制；对加工区域起到冷却效应，避免形成热影响区和重铸层，极大的提高了加工质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种超快激光高效耦合微细射流的方法，其特征在于，该方法所用装置包括装置主体及超快激光传输通道；
所述装置主体内为光学窗口、层流腔室、喷嘴元件和气体腔室；
所述超快激光经过所述光学窗口，穿过所述层流腔室连通的厚度可调的层流水层，聚焦到喷嘴元件后形成等径传输长度的耦合微细射流，所述耦合微细射流直径达百微米，所述气体腔室与超快激光传输通道同轴；
所述超快激光输出功率的值为0.1～20W，与所述传导介质选用去离子水作用，焦点处的激光功率密度不大于去离子水的光致击穿阈值；
所述装置主体上半部分设有多个与所述超快激光传播方向平行的层流腔室，所述层流腔室连通厚度可调的层流水层；
所述层流腔室内由上及下设有所述过滤装置、所述层流扇叶装置、所述净水装置以及所述层流出射面板；
所述喷嘴元件与所述超快激光传输通道和光学窗口同轴；
所述气体腔室设有进气口，底部设有平滑耦合微细射流边界的气体出口。
2.根据权利要求1所述一种超快激光高效耦合微细射流的方法，其特征在于，所述层流出射面板设有阵列圆柱流道。
3.根据权利要求1所述一种超快激光高效耦合微细射流的方法，其特征在于，所述超快激光穿过层流腔室单元水层，水层厚度为0.2～1.0mm可调。
4.根据权利要求1所述一种超快激光高效耦合微细射流的方法，其特征在于，所述喷嘴元件直径为0.3～0.6mm，长径比为6～13。
5.根据权利要求1所述一种超快激光高效耦合微细射流的方法，其特征在于，所述耦合微细射流使用的激光为超快激光，脉冲宽度≤10-10s。
6.根据权利要求1所述一种超快激光高效耦合微细射流的方法，其特征在于，形成所述稳定微细射流喷泵的工作方式为柱塞式，水压为0.01～0.2MPa可调。
7.根据权利要求1所述一种超快激光高效耦合微细射流的方法，其特征在于，所述气体腔室供给气氛可选用压缩空气、氮气或氩气。
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