一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法及系统，设置相位板(6)，经准直扩束后的光束在相位板(6)进行相位调制后再生成无衍射光束，能降低无衍射光束的旁瓣效应，并提高中心光斑能量密度；设置正/负轴棱锥镜组合单元(7)将光束生成中心光斑小、准直区长的无衍射光束；利用退火算法对相位板(6)参数进行分析和优化，结合相位板(6)振幅透过率函数、正/负轴棱锥镜组合单元(7)振幅透过率函数、评价函数、水束‑光束耦合条件对激光束准直扩束单元(5)、相位板(6)、正/负轴棱锥镜组合单元(7)做进一步的分析和优化，使得聚焦效果最优，提高光束的质量和水束‑光束的耦合效率，降低水束‑光束的耦合难度。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法及系统
本专利技术涉及水导激光加工
，具体涉及一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法及系统。
技术介绍
水导激光是一种利用水束光纤传导激光束的技术，由于水的折射率大于空气折射率，当聚焦光束在水束的空气与液体的交界面满足全反射临界条件时，形成的水束光纤能将其内部发生全反射的聚焦光束限制在水束中，聚焦光束在水束内部由于全反射作用沿水束光纤传播到待加工工件的表面，在激光烧蚀和熔融工件表面的同时，微细水束冲击工件去除材料并进行工件冷却，从而完成对工件的加工。由于水导激光加工技术存在零部件加工成本高、水束-光束耦合难度大的问题，现有技术针对该情况，使用单正轴棱锥镜产生无衍射光束的方式来解决问题，由于无衍射光束接近平行光束的极小发散角，焦深范围大，中心光斑小，能克服调焦难度大以及像差问题，从而降低了水束-光束的耦合难度，但是，单轴棱锥镜锥角通常为1°-5°，加工精度要求高，加工误差易使无衍射光束发生畸变，且在安装过程中较小锥度的单轴棱锥镜调焦难度较大，锥角磨损易影响光束质量，同时，无衍射光束的旁瓣效应导致能量利用率偏低。因此，有待于提出一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法及系统，既能提高光束质量以及水束-光束的耦合效率，又能降低水束-光束的耦合难度。
技术实现思路
本专利技术提供一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法及系统，为解决现有技术中存在的“光束质量差、水束-光束耦合效率低、水束-光束耦合难度大”的问题。本专利技术通过以下技术方案解决技术问题：一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法，包括如下步骤：(1)预设初始的准直扩束参数；(2)预设相位板参数，所述相位板参数包括形状、相位、总环数、环径；利用退火算法计算相位板的初始总环数和对应的初始环径；计算相位板的振幅透过率函数以及环深度；(3)计算初始的正/负轴棱锥镜组合单元的参数31)预设正/负轴棱锥镜组合单元参数的轴棱锥镜角，计算正/负轴棱锥镜组合单元参数，所述正/负轴棱锥镜组合单元参数包括等效锥角、最大无衍射光束区域、无衍射光束中心光斑直径、光线角以及正/负轴棱锥镜组合单元的振幅透过率函数；32)计算总振幅透过率函数；33)利用正/负轴棱锥镜组合单元的入射光束的光场振幅函数以及总振幅透过率函数计算总光场振幅函数和空间光场轴上的振幅函数，再计算总光场光强分布和空间光场轴上的光强分布；34)利用总光场光强分布、空间光场轴上的光强分布、评价函数以及预设的对比中心光强、预设的对比主旁瓣数、预设的对比中心光强与主旁瓣的比值计算初始的正/负轴棱锥镜组合单元的参数；(4)利用初始的准直扩束参数、相位板的初始环数和对应的初始环径、初始的正/负轴棱锥镜组合单元的参数以及水束-光纤耦合条件确定最优的准直扩束参数、最优的相位板参数以及最优的正/负轴棱锥镜组合单元参数。进一步地，步骤(2)中，利用退火算法计算相位板的初始环数和对应的初始环径，具体步骤为：21)预设初始温度、总环数和搜索长度；22)预设当前环数对应的当前环径为第一随机数；生成随机相邻的解决方案，得到第二随机数；23)计算系统的光场强度；24)利用成本函数计算第一随机数和第二随机数的成本；如第二随机数的成本小于第一随机数的成本，执行步骤25)；否则执行步骤27)；25)获取下一个环径的随机数与本环径随机数之差的最小值做为环径差；当环径差小于第一预设值时，移除下一个环径和当前环径，覆盖所述环径差，并以第二随机数替代第一随机数作为当前环数对应的初始环径，执行步骤26)；26)如初始温度与减量步长之差仍小于最终温度，则返回第二随机数作为该当前环数对应的初始环径，否则，总环数减2进行迭代，继续执行步骤22)对下一环数进行环径计算，直至完成所有环数的初始环径计算；27)计算与第一随机数和第二随机数相关的概率，如得到概率大于第二预设值，则执行步骤25)，否则执行步骤26)。进一步地，步骤(2)中，相位板的振幅透过率函数：其中，r表示相位板的环径，M表示总环数，rM表示第M个环数对应的环径，rm表示第m个环数对应的环径，m＝1,2,...,M，cir(.)为圆函数。进一步地，步骤31)中，正/负轴棱锥镜组合单元的振幅透过率函数t(l')＝t1(l')·t2(l')＝exp[-ik(n-1)γ1l']·exp[-ik(n-1)γ2l']＝exp[-ik(n-1)γl'，式中，t1(l')表示负轴棱锥镜的振幅透过率函数，t2(l')表示正轴棱锥镜的振幅透过率函数，l'表示入射到正/负轴棱锥镜组合单元的光束到光轴的径向距离，i表示复数，k表示波数量，n表示负轴棱锥镜和正轴棱锥镜的折射率，γ1为正/负轴棱锥镜组合单元中负轴棱锥镜的锥角，γ2为正/负轴棱锥镜组合单元中正轴棱锥镜的锥角，正/负轴棱锥镜组合单元的等效锥角为γ＝γ2-γ1，λ为激光束的波长。进一步地，步骤32)中，总振幅透过率函数为TZ(l',r)＝t(l')·T(r)，其中，t(l')为正/负轴棱锥镜组合单元的振幅透过率函数，T(r)为步骤(2)中的相位板的振幅透过率函数。进一步地，步骤34)中，评价函数为L退火算法的实际搜寻长度，Ic(z)为无衍射光束中心瓣的峰值强度，I1(z)为无衍射光束主旁瓣的峰值强度。进一步地，步骤(4)中，水束-光束耦合条件为其中，nw为水的折射率、na为空气折射率、θa为光线射入水束光纤的入射角、df为聚焦光斑直径、dj为耦合腔中的喷嘴形成水束光纤直径、dn为耦合腔中的喷嘴孔径、NAj为水束光纤的直径。一种基于上述耦合水束光纤的激光束聚焦方法的系统，包括控制器、激光发射器、反光镜、激光束准直扩束单元、相位板以及正/负轴棱锥镜组合单元；所述激光束准直扩束单元、相位板和正/负轴棱锥镜组合单元同轴设置；所述激光发射器在控制器的控制下向反光镜发射激光束，所述激光束经激光束准直扩束单元完成准直扩束后入射至相位板进行相位调制；所述正/负轴棱锥镜组合单元由负轴棱锥镜和正轴棱锥镜组成，经相位板完成相位调制后的光束经负轴棱锥镜、正轴棱锥镜后再与外部水束光纤耦合。进一步地，所述负轴棱锥镜和正轴棱锥镜的折射率相同；所述负轴棱锥镜和正轴棱锥镜贴合安装，且同轴设置。进一步地，所述相位板为环状结构，所述相位板的相位为二元相位0/π。与现有技术相比，具有如下特点：1、在硬件上设置了相位板，激光束经反射、准直扩束后在相位板进行相位调制后再生成无衍射光束，能够降低无衍射光束的旁瓣效应，并提高光束的中心光斑能量密度，既提高了光束的质量又提高了水束-光束的耦合效率，还设置了正/负轴棱锥镜组合单元，将经相位调制后的光束生成中心光斑小、准直区长的无衍射激光束，降低后续阶段与水束光纤耦合的难度；在方法上先预设激光束准直扩束单元的参数、相位板的参数以及正/负轴棱锥镜组合单元的参数，再利用退火算法对相位板的参数进行分析和优化，结合相位板的振幅透过率函数、正/负轴棱锥镜组合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)预设初始的准直扩束参数；/n(2)预设相位板(6)参数，所述相位板(6)参数包括形状、相位、总环数、环径；利用退火算法计算相位板(6)的初始总环数和对应的初始环径；计算相位板(6)的振幅透过率函数以及环深度；/n(3)计算初始的正/负轴棱锥镜组合单元(7)的参数/n31)预设正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数的轴棱锥镜角，计算正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数，所述正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数包括等效锥角、最大无衍射光束区域、无衍射光束中心光斑直径、光线角以及正/负轴棱锥镜组合单元(7)的振幅透过率函数；/n32)计算总振幅透过率函数；/n33)利用正/负轴棱锥镜组合单元(7)的入射光束的光场振幅函数以及总振幅透过率函数计算总光场振幅函数和空间光场轴上的振幅函数，再计算总光场光强分布和空间光场轴上的光强分布；/n34)利用总光场光强分布、空间光场轴上的光强分布、评价函数以及预设的对比中心光强、预设的对比主旁瓣数、预设的对比中心光强与主旁瓣的比值计算初始的正/负轴棱锥镜组合单元(7)的参数；/n(4)利用初始的准直扩束参数、相位板(6)的初始环数和对应的初始环径、初始的正/负轴棱锥镜组合单元(7)的参数以及水束-光纤耦合条件确定最优的准直扩束参数、最优的相位板(6)参数以及最优的正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)预设初始的准直扩束参数；
(2)预设相位板(6)参数，所述相位板(6)参数包括形状、相位、总环数、环径；利用退火算法计算相位板(6)的初始总环数和对应的初始环径；计算相位板(6)的振幅透过率函数以及环深度；
(3)计算初始的正/负轴棱锥镜组合单元(7)的参数
31)预设正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数的轴棱锥镜角，计算正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数，所述正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数包括等效锥角、最大无衍射光束区域、无衍射光束中心光斑直径、光线角以及正/负轴棱锥镜组合单元(7)的振幅透过率函数；
32)计算总振幅透过率函数；
33)利用正/负轴棱锥镜组合单元(7)的入射光束的光场振幅函数以及总振幅透过率函数计算总光场振幅函数和空间光场轴上的振幅函数，再计算总光场光强分布和空间光场轴上的光强分布；
34)利用总光场光强分布、空间光场轴上的光强分布、评价函数以及预设的对比中心光强、预设的对比主旁瓣数、预设的对比中心光强与主旁瓣的比值计算初始的正/负轴棱锥镜组合单元(7)的参数；
(4)利用初始的准直扩束参数、相位板(6)的初始环数和对应的初始环径、初始的正/负轴棱锥镜组合单元(7)的参数以及水束-光纤耦合条件确定最优的准直扩束参数、最优的相位板(6)参数以及最优的正/负轴棱锥镜组合单元(7)参数。


2.根据权利要求1所述的一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法，其特征在于：
步骤(2)中，利用退火算法计算相位板(6)的初始环数和对应的初始环径，具体步骤为：
21)预设初始温度、总环数和搜索长度；
22)预设当前环数对应的当前环径为第一随机数；生成随机相邻的解决方案，得到第二随机数；
23)计算系统的光场强度；
24)利用成本函数计算第一随机数和第二随机数的成本；如第二随机数的成本小于第一随机数的成本，执行步骤25)；否则执行步骤27)；
25)获取下一个环径的随机数与本环径随机数之差的最小值做为环径差；当环径差小于第一预设值时，移除下一个环径和当前环径，覆盖所述环径差，并以第二随机数替代第一随机数作为当前环数对应的初始环径，执行步骤26)；
26)如初始温度与减量步长之差仍小于最终温度，则返回第二随机数作为该当前环数对应的初始环径，否则，总环数减2进行迭代，继续执行步骤22)对下一环数进行环径计算，直至完成所有环数的初始环径计算；
27)计算与第一随机数和第二随机数相关的概率，如得到概率大于第二预设值，则执行步骤25)，否则执行步骤26)。


3.根据权利要求1所述的一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法，其特征在于：
步骤(2)中，相位板(6)的振幅透过率函数：

其中，r表示相位板(6)的环径，M表示总环数，rM表示第M个环数对应的环径，rm表示第m个环数对应的环径，m＝1,2,...,M，cir(.)为圆函数。


4.根据权利要求3所述的一种耦合水束光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙芋宏，黄宇星，梁恩，张光辉，刘清原，周嘉，焦辉，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45