用于测量引导激光束的流体射流的设备制造技术

本发明专利技术涉及一种利用高强度激光束(101)加工工件的设备(100)，所述设备(100)被配置成提供加压的流体射流(102)并将所述激光束(101)耦合至所述流体射流(102)中。所述设备(100)包括检测单元(103)，所述检测单元(103)被配置成接收和检测由所述激光束(101)在所述流体射流(102)中生成的二次辐射(104)。所述检测单元(103)包括感测单元(105)，所述感测单元(105)被配置成将二次辐射(104)转换成检测信号(106)。所述设备(100)被配置成利用所述检测单元(103)在沿所述流体射流(102)的单个位置或多个不同位置处生成多个检测信号(106)。

Equipment for measuring fluid jets guiding laser beams

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量引导激光束的流体射流的设备
本专利技术涉及一种用于利用耦合至加压的流体射流中的高强度激光束来加工工件的设备。根据本专利技术，特别地，该设备被配置成测量引导所述激光束的所述流体射流。本专利技术还涉及一种用于测量引导高强度激光束的流体射流的方法，其中，该激光束适合于加工工件。本专利技术尤其涉及基于激光感应的二次发射来测量流体射流的长度和/或流动特性。
技术介绍
用于利用耦合至加压的流体射流中的激光束来加工工件的传统设备是普遍已知的。为了利用激光束来加工工件，通常利用流体射流生成喷嘴来生成流体射流，以及将激光束耦合至该流体射流中并通过全内反射将该激光束在该流体射流中引导至工件上。在传统的设备中通常遇到的问题是，流体射流仅在从流体射流生成喷嘴开始的一定的绝对长度上是层流状的。超过该长度，流体射流变得不稳定，并且最终分散成液滴。一旦流体射流变得不稳定，流体就不再能够引导激光束从而可以有效地加工工件。当流体分散成液滴时，激光束甚至被散射。值得注意的是，在本文中，术语“流体射流”是指层流状的流体射流。在变得不稳定之后，流体在分散成液滴之前可能仍会以连续的液体流传播。另外，流体射流的“可用”长度可能比其“绝对”长度更短，这是因为只有自由流动的流体射流在从设备输出之后才可用于加工工件。因此，为了有效的加工过程，必须将工件放置在足够靠近设备的位置，使其受到流体射流的可用部分的撞击。如果流体射流的可用长度变得太短，则有效的加工过程可能因此无法进行。另外，非常短的流体射流或完全不存在流体射流可能表明设备存在更严重的问题，例如流体射流生成喷嘴破碎。此外，流体射流的流动特性也可能影响工件加工过程的效率。鉴于上述情况，在实际加工工件之前，确定流体射流的可用长度将是非常有利的。另外，如果还可以确定流体射流的流动特性(例如流体射流的层流行为或流体中的扰动)，则将是更加有利的。遗憾的是，传统的设备不允许流体射流的可用长度的任何固有测量。可以使用外部测量装置，但通常效率低下，这是因为没有针对当前情况进行专门地设计，所述当前情况即测量耦合至非常薄的流体射流(15μm至500μm)中的高强度激光束的情况。因此，本专利技术旨在改进传统的设备和流体射流测量方案。因此，本专利技术的目的是提供一种用于测量引导适合于加工工件的高强度激光束的流体射流的设备和方法。特别地，应当确定流体射流的长度。此外，应当得出流体射流的流动特性。本专利技术的另一目标是使得能够实现由激光束引入至流体射流中的激光功率的简单测量。因此，特别地，本专利技术旨在提供一种用于执行所述测量的简单但精确且非侵入式的解决方案。特别地，既应当不需要复杂的测量设置，对测量结果的后处理也应当不需要大量的时间和计算资源。所有的测量还应当可以由设备本身执行，其中，尽管如此，紧凑的设备仍然是期望的。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过所附独立权利要求中提供的方案来实现的。在从属权利要求中限定了本专利技术的有利实施方式。特别地，本专利技术提出：基于激光感应的二次发射，即基于由激光束与流体射流的相互作用而生成的二次电磁辐射，确定流体射流的可用长度和/或绝对长度，并且可选地检测所述流体射流的流动特性。本专利技术的第一方面提供了一种用于利用高强度激光束加工工件的设备，所述设备被配置成提供加压的流体射流并将激光束耦合至该流体射流中，其中，所述设备包括检测单元，所述检测单元被配置成接收和检测由激光束在所述流体射流中生成的二次辐射，所述检测单元包括感测单元，所述感测单元被配置成将二次辐射转换为检测信号，其中，所述设备被配置成利用所述检测单元在沿流体射流的单个位置或多个不同位置处生成多个检测信号。“高强度”激光束是适合于加工工件的激光束，其中，所述工件可以由包括例如金属、陶瓷、金刚石、半导体、合金、超合金或超硬材料的材料制成。因此，“加工”工件至少意味着切割工件、对工件钻孔或使工件成形。高强度激光束具有20W至400W或甚至更高的激光功率。因此，激光束可以是脉冲激光束，但是也可以是连续的激光束。优选地，“加压的”流体射流的压力为50bar至800bar。流体射流的“长度”可以是从其从设备输出的位置开始的可用长度，或者可以是从其生成的位置开始的绝对长度。因为设备的构造是已知的，所以获得了可用长度就直接得到了绝对长度，反之亦然。术语“沿流体射流”是指沿流体射流的传播方向，或者沿(如果流体射流被生成的话)流体射流将要传播的方向(即，流体射流潜在的传播方向)。流体射流的(潜在的)传播方向通过设备的构造、特别是通过生成流体射流的部件(例如，流体射流生成喷嘴)的构造和取向而被很好地确定。生成的流体射流被足够地加压以线性地传播，使得流体射流的传播方向也可以外推超过其稳定长度。因此，也可以选择沿流体射流的多个不同位置(在这些位置中的一个或多个位置处不存在流体射流的情况下)。为了从单个位置生成多个检测信号，检测单元可以相对于设备的生成流体射流的部件(例如，相对于流体射流生成喷嘴)是固定的。所生成的多个检测信号中的每一者可以增强从流体射流的不同部分接收并因此以不同的入射角到达感测单元的二次辐射。感测单元可以考虑该入射角，以从固定位置生成所述多个检测信号。为了从沿流体射流的多个不同位置生成所述多个检测信号，检测单元可以相对于所述设备的生成流体射流的部件(例如流体射流生成喷嘴)沿流体射流可移动。优选地，将检测单元定位成使得感测单元可以检测由激光束在流体射流中感应并且在所有方向上远离流体射流传播的二次电磁辐射的至少一部分。值得注意的是，激光感应的二次辐射中的一些可能会行进至其它地方，而不是进入检测单元。由检测单元接收的二次辐射提供了沿流体射流的给定位置处是否存在层流状流体射流的准确指示。特别地，由感测单元产生的信号表现出取决于层流状流体射流是否存在于给定位置的特征行为。实际上，优选地，二次辐射仅在这种流体射流中生成，而不是在任何连续的流体流中或甚至在流体液滴中生成。因此，二次辐射可以用于准确地确定可用流体射流的长度。此外，二次辐射还可以允许准确地确定流体射流的流动特性。需要注意的是，能够提供流体射流的长度以及可选地流体射流的流动特性的指示的二次辐射仅利用在用于加工工件的设备中必然使用的高强度激光束生成。例如，传统的激光指示器装置将不会在流体射流中生成这种二次辐射。特别地，利用二次辐射来测量流体射流的思想得到一种简单但精确的方案。另外，所述设备可以是紧凑的，尽管其所有部件可以有利地集成在一起。所述设备可以本身执行测量，即不需要外部设备。在所述设备的优选实施形式中，检测单元还包括光谱分离单元，该光谱分离单元被配置成将所接收的二次辐射的至少一部分隔离至感测单元上。因此，感兴趣的辐射(其为所述二次辐射的所述至少一部分或包括所述二次辐射的所述至少一部分)可以与(如果光谱分离单元不存在的话)也将潜在地撞击在感测单元上的不期望的辐射分离。特别地，光谱分离单元被布置并配置成接收包括远离流体射流传播的二次辐射的辐射，可以将感兴趣的辐射与所接收的辐射隔离，以及可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于利用高强度激光束(101)加工工件的设备(100)，所述设备(100)被配置成提供加压的流体射流(102)并将所述激光束(101)耦合至所述流体射流(102)中，/n其中，所述设备(100)包括：/n检测单元(103)，所述检测单元(103)被配置成接收和检测由所述激光束(101)在所述流体射流(102)中生成的二次辐射(104)，所述检测单元(103)包括：/n感测单元(105)，所述感测单元(105)被配置成将二次辐射(104)转换成检测信号(106)，/n其中，所述设备(100)被配置成利用所述检测单元(103)在沿所述流体射流(102)的单个位置或多个不同位置处生成多个检测信号(106)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171121 EP 17202865.61.一种用于利用高强度激光束(101)加工工件的设备(100)，所述设备(100)被配置成提供加压的流体射流(102)并将所述激光束(101)耦合至所述流体射流(102)中，
其中，所述设备(100)包括：
检测单元(103)，所述检测单元(103)被配置成接收和检测由所述激光束(101)在所述流体射流(102)中生成的二次辐射(104)，所述检测单元(103)包括：
感测单元(105)，所述感测单元(105)被配置成将二次辐射(104)转换成检测信号(106)，
其中，所述设备(100)被配置成利用所述检测单元(103)在沿所述流体射流(102)的单个位置或多个不同位置处生成多个检测信号(106)。


2.根据权利要求1所述的设备(100)，其中，
所述检测单元(103)还包括光谱分离单元(303)，所述光谱分离单元(303)被配置成将所接收的二次辐射(104)的至少一部分隔离到所述感测单元(105)上。


3.根据权利要求2所述的设备(100)，其中，
所述光谱分离单元(303)包括滤光器、棱镜、介电镜、衍射光栅或多孔光学装置。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(100)，其中，
所述检测单元(103)是固定的并被配置成从其固定位置观察沿所述流体射流(102)的确定的长度部分(A)，并且
所述设备(100)被配置成利用所述检测单元(103)在所述检测单元(103)的所述固定位置处生成所述多个检测信号(106)。


5.根据权利要求4所述的设备，其中，
所述感测单元(105)是电荷耦合器件或者是多个光电二极管的空间阵列、多个热敏二极管的空间阵列或多个雪崩二极管的空间阵列。


6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(100)，还包括：
运动单元(201)，所述运动单元(201)被配置成使所述检测单元(103)沿所述流体射流(102)移动，其中，
所述检测单元(103)包括观察单元(200)，所述观察单元(200)被布置为允许朝向所述感测单元(105)传播的二次辐射(104)进入，并且
所述设备(100)被配置成利用所述检测单元(103)在沿所述流体射流(102)的多个不同位置处生成所述多个检测信号(106)。


7.根据权利要求6所述的设备(100)，其中，
所述检测单元(103)被配置成连续地或重复地检测二次辐射(104)并从而在被所述运动单元(201)沿所述流体射流(102)移动时生成所述多个检测信号(106)。


8.根据权利要求6或7所述的设备(100)，其中，
所述运动单元(201)被配置成使所述检测单元(103)沿所述流体射流(102)至少在第一参考点(A0)和第二参考点(A1)之间的确定的距离(A)上移动。


9.根据权利要求8所述的设备(100)，其中，
所述确定的距离(A)为0至25cm、优选地为0至15cm。


10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备(100)，其中，
所述运动单元(201)被配置成使所述检测单元(103)以小于2mm的空间分辨率、优选地以10μm至2mm的空间分辨率沿所述流体射流(102)逐步地移动。


11.根据权利要求6至10中任一项所述的设备(100)，其中，
所述观察单元(200)是限定孔(202)的开口或远心透镜。


12.根据权利要求10和11所述的设备(100)，其中，
所述检测单元(103)沿所述流体射流(102)的光学分辨率由所述孔(202)的尺寸以及所述观察单元(200)与所述流体射流(102)之间的距离来限定，并且
所述孔(202)的尺寸和所述距离被选择成使得所述检测单元(103)的光学分辨率等于或高于所述运动单元(201)的空间分辨率。


13.根据权利要求6至12中任一项所述的设备(100)，其中，
所述感测单元(105)包括光电二极管、热敏二极管或雪崩二极管。


14.根据权利要求6至13中任一项所述的设备(100)，其中，
所述检测单元(103)还包括保护单元(301)，所述保护单元(301)用于保护所述观察单元(200)免受流体、湿气、灰尘和激光束加工的其它产物的侵入。


15.根据权利要求14所述的设备(100)，其中，
所述保护单元(301)包括被配置成至少在所述检测单元(103)的所述观察单元(200)内产生过压的单元。


16.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·迪博伊内，D·希珀特，H·迪厄，B·里彻兹哈根，
申请(专利权)人：辛诺瓦有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH