CN113909675A - 水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，属于激光加工技术领域。其特征为：光学透镜为多聚焦点球面透镜，圆柱形激光束经过多聚焦点球面透镜进入水射流喷嘴后，沿着水射流的轴心线形成多个聚焦点，激光光束聚焦到每个光斑后再发散，以全反射的形式沿水射流水柱传输、实现水光耦合。与采用传统的单一聚焦点球面透镜相比，本发明由于将原来单一聚焦点球面透镜变成了多聚焦点球面透镜，聚焦点由一个变成了多个，激光能量在所有聚焦点均匀分布，每个聚焦点的能量密度都显著降低，有效避免了气爆现象的发生，从而显著提高了激光的功率和水导激光的加工效率。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，特别涉及水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜。
背景技术
水导激光切割与传统激光切割相比具有以下优势：
(1)不会产生热损伤，这是因为喷射的水流可以在激光脉冲间隙冷却材料，极大地降低材料的热变形和热损伤，使材料保持其原来结构和性能；
(2)水射流工作距离大，不需要聚焦；
(3)喷射水流会在切割过程中带走熔融的材料，减少污染物；
(4)加工精度高，特别适用于薄壁件的高精度加工。
水导激光除用于切割外，还可用于工件打孔、开槽、表面清洗等。正是由于水导激光加工的这些特性，其在金属材料、半导体、玻璃、陶瓷、碳纤维复合材料等加工领域有重要的推广应用前景。
由于传统的水光耦合装置在使用大功率激光时不可避免的会产生气爆现象，导致水射流喷嘴破坏、水光耦合中断，水导激光加工无法继续进行，因而导致了传统水导激光加工系统激光功率小、加工效率低，严重制约了水导激光加工技术的应用推广。
发明内容
针对传统水导激光加工系统水光耦合的气爆问题，发明人发明了水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜。该水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜由于将激光在水射流中的聚焦点由一个变为多个，每一个聚焦点的能量密度都显著降低，使得激光的功率能够显著提高，从而提高水导激光的加工效率。为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜其曲面由多个轴心线相同、半径不同的球面相交而成，位于最顶部的球面其半径R1最大，距离轴心线越远的环形球面其半径越小，距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径Rn最小；在透镜边缘位置的环形球面半径Rn最小，激光穿过该环形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面其半径R1最大，激光穿过该形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最远；聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成多个聚焦点。
所述的多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等，设：多聚焦点球面透镜顶部球面和环形球面的总数为n个，顶部球面沿轴心线在水平面投影的平面圆半径为r1，最外边环形球面沿轴心线在水平面投影的平面圆环外圆半径为rn，则在已知 rn的情况下，中心平面圆或某个平面圆环的外圆半径计算公式为
其中i取值范围：1至n-1；多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等，使得激光在导光水射流水柱(7)中每个聚焦点(6)分布的激光能量相同，使得每一个聚焦点的能量密度显著降低，从而避免传统单一聚焦点透镜由于聚焦点能量密度过大导致的导光水射流水柱气爆产生、水光耦合中断现象的发生，使得激光的功率和水导激光加工系统的加工效率都显著提高。
所述的水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜应用于大功率水导激光水光耦合装置；该水光耦合装置由多聚焦点球面透镜(1)、水光耦合腔体(2)、玻璃窗口(3)、高压纯净水(4)、水射流喷嘴(5)、聚焦光柱(6)、导光水射流水柱(7)、圆柱状平行激光光束(8) 等组成；其中多聚焦点球面透镜(1)位于水光耦合腔体(2)的正上方；水光耦合腔体(2) 呈圆柱形结构，内部是一个圆柱状的腔体，在腔体的上壁中心位置开有一圆形孔(12)，用于激光束的射入，紧贴着上壁的下表面固定一片圆形平板玻璃，形成水光耦合腔体的玻璃窗口(3)；在腔体的下壁中心位置，固定有水射流喷嘴(5)；在水光耦合腔体的圆柱面上，设有进水孔(13)，高压水从该进水孔进入，从水射流喷嘴(5)喷出形成圆柱状的导光水射流水柱(7)；多聚焦点球面透镜(1)其曲面由多个轴心线相同、半径不同的球面相交而成，位于最顶部的球面其半径R1最大，距离轴心线越远的环形球面其半径越小，距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径Rn最小；在透镜边缘位置的环形球面半径Rn最小，激光穿过该环形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面其半径R1最大，激光穿过该形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最远；聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成多个聚焦点；激光通过相应的聚焦点后再发散、射向导光水射流水柱(7)的内表面，再经全反射在导光水射流水柱(7)内部传输；经多聚焦点球面透镜(1)与水射流喷嘴(5)的对准调整，使得聚焦点(6)位于导光水射流水柱(7)的轴心线上，并保证入射激光与水射流喷嘴上表面不发生干涉。
该大功率水导激光水光耦合装置应用于水导激光加工系统；该水导激光加工系统由激光器(21)、光纤激光束(22)、扩束准直透镜组(23)、分光镜(24)、多聚焦点球面透镜(25)、水光耦合腔体(26)、导光水射流水柱(27)、被加工工件(28)、CCD摄像机(29)、衰减片(30)、滤光片(31)、全反射镜(32)组成；激光器(21)发出的激光进入光纤形成光纤激光束(22)，再经过扩束准直透镜组(23)和分光镜(24)，到达多聚焦点球面透镜(25)，穿过多聚焦点球面透镜(25)的激光束，射入水光耦合腔体(26)后沿导光水射流水柱(27) 内部从上到下聚焦为多个聚焦点，在经发散射向导光水射流水柱(27)的内表面，再经全反射沿导光水射流水柱(27)传输到达被加工工件(28)表面，从而对被加工工件(28)进行加工；从水光耦合腔体(26)经多聚焦点球面透镜(25)反射回来的光线，经分光镜(24) 和全反射镜(32)的反射，再经滤光片(31)、衰减片(30)，到达CCD摄像机(29)，由摄像机显示激光由多聚焦点球面透镜(25)射入水光耦合腔体(26)的激光光束与导光水射流水柱(27)的对准情况，并通过机械传动装置调整水光耦合腔体(26)中水射流喷嘴与多聚焦点球面透镜(25)的相对位置，使得聚焦点位于导光水射流水柱(27)的内部。
本发明的多聚焦点球面透镜大功率水导激光水光耦合装置，具有以下优点和效果：激光光束透过多聚焦点球面透镜和水光耦合腔体的玻璃窗口后，在导光水射流水柱中形成多个聚焦点而且每个光斑的激光能量密度相等，与传统只有一个聚焦点的球面透镜相比，透过多聚焦点球面透镜激光的能量不再是集中于一个聚焦点，而是分散于多个聚焦点中，每个光斑的激光能量密度显著降低，彻底消除了因光斑能量密度高致使导光水射流水柱产生气爆、水射流喷嘴损坏、水光耦合中断现象的发生，能够提高激光的功率，进而提高水导激光加工系统的加工效率。
附图说明
图1为本发明的多聚焦点球面透镜大功率水导激光水光耦合装置结构原理图，其中： 1-多聚焦点球面透镜，2-水光耦合腔体，3-玻璃窗口，4-高压纯净水，5-水射流喷嘴，6-聚焦光柱，7-导光水射流水柱，8-圆柱状平行激光光束，9-全反射激光光束，10-透镜最顶部的球面其半径R1，11-透镜最边缘的环形球面其半径Rn。
如图2所示为多聚焦点球面透镜的俯视图，也是多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿其轴心线的水平投影图，其中rn为最外边环形球面沿轴心线在水平面投影的平面圆环外圆半径，r1为顶部球面沿轴心线在水平面投影的平面圆半径，ri为中心平面圆或某个平面圆环的外圆半径。
图3为采用了多聚焦点球面透镜大功率水导激光水光耦合装置的无气爆水导激光加工系统结构原理图，其中：21-激光器，22-光纤激光束，23-扩束准直透镜组，24-分光镜，25-多聚焦点球面透镜，26-水光耦合腔体，27-导光水射流水柱，28-被加工工件，29-CCD摄像机，30-衰减片，31-滤光片，32-全反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，所述的多聚焦点球面透镜大功率水导激光水光耦合装置由多聚焦点球面透镜(1)、水光耦合腔体(2)、玻璃窗口(3)、高压纯净水(4)、水射流喷嘴(5)、聚焦光柱(6)、导光水射流水柱(7)、圆柱状平行激光光束(8)等组成；多聚焦点球面透镜(1) 位于水光耦合腔体(2)的正上方；水光耦合腔体(2)呈圆柱形结构，内部是一个圆柱状的腔体，在腔体的上壁中心位置开有一圆形孔(12)，用于激光束的射入，紧贴着上壁的下表面固定一片圆形平板玻璃，形成水光耦合腔体的玻璃窗口(3)；在腔体的下壁中心位置，固定有水射流喷嘴(5)；在水光耦合腔体的圆柱面上，设有进水孔(13)，高压水从该进水孔进入，从水射流喷嘴(5)喷出形成圆柱状的导光水射流水柱(7)；多聚焦点球面透镜(1) 其曲面由多个同轴心线、不同半径的球面相交而成，最顶部的球面其半径R1最大，距离轴心线越远的环形球面其半径越小，距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径Rn最小；在透镜边缘位置的环形球面半径Rn最小，激光穿过该环形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面其半径R1最大，激光穿过该形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最远；聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成多个聚焦点；激光通过相应的聚焦点后再发散、射向导光水射流水柱(7)的内表面，再经全反射在导光水射流水柱(7)内部传输；经多聚焦点球面透镜(1)与水射流喷嘴(5)的对准调整，使得聚焦点(6)位于导光水射流水柱(7)的轴心线上，并保证入射激光与水射流喷嘴上表面不发生干涉。
所述的多聚焦点球面透镜大功率水导激光水光耦合装置，其多聚焦点球面透镜同轴的顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等，使得在导光水射流水柱(7)中每个聚焦点(6)的激光能量密度相等。
如图2所示为多聚焦点球面透镜的俯视图，也是多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿其轴心线的水平投影图，中心部位的圆和与其同心的各个圆环面积相等；设多聚焦点球面透镜顶部球面和环形球面的总数n为5，rn＝10mm，按照半径计算公式
进行计算，得到：
如图3所示为无气爆水导激光加工系统，其由激光器(21)、光纤激光束(22)、扩束准直透镜组(23)、分光镜(24)、多聚焦点球面透镜(25)、水光耦合腔体(26)、导光水射流水柱(27)、被加工工件(28)、CCD摄像机(29)、衰减片(30)、滤光片(31)、全反射镜(32)组成；激光器(21)发出的激光进入光纤形成光纤激光束(22)，再经过扩束准直透镜组(23)和分光镜(24)，到达多聚焦点球面透镜(25)，穿过多聚焦点球面透镜(25) 的激光束，射入水光耦合腔体(26)后沿导光水射流水柱(27)内部从上到下聚焦为多个聚焦点，在经发散射向导光水射流水柱(27)的内表面，再经全反射沿导光水射流水柱(27) 传输到达被加工工件(28)表面，从而对被加工工件(28)进行加工；从水光耦合腔体(26) 经多聚焦点球面透镜(25)反射回来的光线，经分光镜(24)和全反射镜(32)的反射，再经滤光片(31)、衰减片(30)，到达CCD摄像机(29)，由摄像机显示激光由多聚焦点球面透镜(25)射入水光耦合腔体(26)的激光光束与导光水射流水柱(27)的对准情况，并通过机械传动装置调整水光耦合腔体(26)中水射流喷嘴与多聚焦点球面透镜(25)的相对位置，使得聚焦点位于导光水射流水柱(27)的内部。
但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何简单的修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：其曲面由多个轴心线相同、半径不同的球面相交而成，在水导激光水光耦合装置中使用时，激光透过透镜形成沿透镜轴心线分布的多个聚焦点，通过水导激光耦合对准装置的调节使这些聚焦点位于水光耦合装置水射流喷嘴喷射的导光水射流水柱的中心线上，激光通过相应的聚焦点后再发散、射向导光水射流水柱的内表面，再经全反射在导光水射流水柱内部传输；由于激光的能量分布于多个聚焦点，使得每一个聚焦点的能量密度显著降低，从而避免传统单一聚焦点透镜因聚焦点能量密度过大导致的导光水射流水柱气爆产生、水光耦合中断现象的发生，使得激光功率和水导激光加工系统的加工效率都显著提高。
2.根据权利要求1所述的水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：位于最顶部的球面其半径R1最大，距离轴心线越远的环形球面其半径越小，距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径Rn最小；在透镜边缘位置的环形球面半径Rn最小，激光穿过该环形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面其半径R1最大，激光穿过该形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最远；聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成多个聚焦点。
3.根据权利要求1所述的水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等，设：多聚焦点球面透镜顶部球面和环形球面的总数为n个，顶部球面沿轴心线在水平面投影的平面圆半径为r1，最外边环形球面沿轴心线在水平面投影的平面圆环外圆半径为rn，则在已知rn的情况下，中心平面圆或某个平面圆环的外圆半径计算公式为
其中i取值范围：1至n-1；多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等，使得激光在导光水射流水柱7中每个聚焦点6分布的激光能量相同，使得每一个聚焦点的能量密度显著降低，从而避免传统单一聚焦点透镜由于聚焦点能量密度过大导致的导光水射流水柱气爆产生、水光耦合中断现象的发生，使得激光的功率和水导激光加工系统的加工效率都显著提高。
4.根据权利要求1所述的水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：该水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜应用于大功率水导激光水光耦合装置；该水光耦合装置由多聚焦点球面透镜(1)、水光耦合腔体(2)、玻璃窗口(3)、高压纯净水(4)、水射流喷嘴(5)、聚焦光柱(6)、导光水射流水柱(7)、圆柱状平行激光光束(8)等组成；其中多聚焦点球面透镜(1)位于水光耦合腔体(2)的正上方；水光耦合腔体(2)呈圆柱形结构，内部是一个圆柱状的腔体，在腔体的上壁中心位置开有一圆形孔(12)，用于激光束的射入，紧贴着上壁的下表面固定一片圆形平板玻璃，形成水光耦合腔体的玻璃窗口(3)；在腔体的下壁中心位置，固定有水射流喷嘴(5)；在水光耦合腔体的圆柱面上，设有进水孔(13)，高压水从该进水孔进入，从水射流喷嘴(5)喷出形成圆柱状的导光水射流水柱(7)；多聚焦点球面透镜1其曲面由多个轴心线相同、半径不同的球面相交而成，位于最顶部的球面其半径R1最大，距离轴心线越远的环形球面其半径越小，距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径Rn最小；在透镜边缘位置的环形球面半径Rn最小，激光穿过该环形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面其半径R1最大，激光穿过该形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最远；聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成多个聚焦点；激光通过相应的聚焦点后再发散、射向导光水射流水柱7的内表面，再经全反射在导光水射流水柱(7)内部传输；经多聚焦点球面透镜(1)与水射流喷嘴(5)的对准调整，使得聚焦点(6)位于导光水射流水柱(7)的轴心线上，并保证入射激光与水射流喷嘴上表面不发生干涉。
5.根据权利要求3所述的大功率水导激光水光耦合装置，其特征在于：该大功率水导激光水光耦合装置应用于水导激光加工系统；该水导激光加工系统由激光器(21)、光纤激光束(22)、扩束准直透镜组(23)、分光镜(24)、多聚焦点球面透镜(25)、水光耦合腔体(26)、导光水射流水柱(27)、被加工工件(28)、CCD摄像机(29)、衰减片(30)、滤光片(31)、全反射镜(32)组成；激光器(21)发出的激光进入光纤形成光纤激光束(22)，再经过扩束准直透镜组(23)和分光镜(24)，到达多聚焦点球面透镜(25)，穿过多聚焦点球面透镜(25)的激光束，射入水光耦合腔体(26)后沿导光水射流水柱(27)内部从上到下聚焦为多个聚焦点，在经发散射向导光水射流水柱(27)的内表面，再经全反射沿导光水射流水柱(27)传输到达被加工工件(28)表面，从而对被加工工件(28)进行加工；从水光耦合腔体(26)经多聚焦点球面透镜(25)反射回来的光线，经分光镜(24)和全反射镜(32)的反射，再经滤光片(31)、衰减片(30)，到达CCD摄像机(29)，由摄像机显示激光由多聚焦点球面透镜(25)射入水光耦合腔体(26)的激光光束与导光水射流水柱(27)的对准情况，并通过机械传动装置调整水光耦合腔体(26)中水射流喷嘴与多聚焦点球面透镜(25)的相对位置，使得聚焦点位于导光水射流水柱(27)的内部。
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