用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法技术

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。

A method for coupling a laser beam into a liquid jet

The best parameters according to the relationship between contact angle, laser focus, focus on the energy distribution of laser beam profile and nozzle geometry setting liquid jet guided laser system, the realization of high power laser beam 180 reliably coupled into the liquid jet jet guide laser system 125 in high life performance by using a nozzle 130, 140 and 170 protection window the.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于将激光束耦合到液体喷射束中的方法
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术公开了一种方法和/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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术公开的方法，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，本专利技术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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.30 US 14/291,0061.一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。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所述功率输入的5W。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述关系与spacer.gif成比例，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放部分的耦合因子；其中DN是所述喷嘴的直径；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：所述关系与spacer.gif成比例；其中Deff是所述喷嘴的有效直径；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。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述关系与spacer.gif成比例；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聚焦锥角。10.一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。11.如权利要求10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...

【专利技术属性】
技术研发人员：加布·延冈特，海霸·吉荣，
申请(专利权)人：加布·延冈特，海霸·吉荣，SE二QUEL管理有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT