水射流导引高功率激光的光束整形系统及其应用加工装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供水射流导引高功率激光的光束整形系统及其应用加工装置，包括依次设置的激光器、扩束镜组、聚焦单元，扩束镜组与聚焦单元之间设置光束整形单元，光束整形单元将激光能量从高斯分布整形为能量均匀、焦深长的平顶光分布。经光束整形单元后聚焦的多焦点光路能量均匀，降低了单个焦点的能量密度，与水束光纤耦合和传输过程中不会因能量密度过高引发光学击穿，并能提高水束耦合激光的总能量。采用本方案的水射流导引高功率激光的光束整形方法与加工系统，可将高功率密度激光应用于水导激光加工技术，提高光束径向和轴向的均匀化程度，有效保证耦合效率、系统稳健性，提高加工质量和加工效率。工质量和加工效率。工质量和加工效率。

【技术实现步骤摘要】
水射流导引高功率激光的光束整形系统及其应用加工装置


[0001]本技术涉及水导激光加工
，具体涉及一种水射流导引高功率激光的光束整形系统及其应用加工装置。

技术介绍

[0002]水导激光加工是通过微细水射流束引导激光束对材料进行加工的先进加工技术，原理在于利用耦合腔体生成微米级的水束光纤，激光与水束耦合，并在水和空气的界面发生全反射被约束在水束光纤中，水束光纤引导激光作用于工件表面实现加工。高能激光束可对材料烧蚀加工，水束可冲刷工件表面带走熔渣并冷却工件，水导激光加工具有加工速度快、精度高、热应力小的优点。
[0003]现有水导激光加工使用的激光脉冲宽度最短在纳秒级别，但随着市场加工精度、加工效率的要求越来越高，水导激光加工效率和质量有提升的需求。高功率激光如调Q亚纳秒高功率密度激光、调Q窄脉宽激光、mopa窄脉宽激光及皮秒激光(波长1064nm、532nm、355nm及266nm，脉宽300ps
‑
20ns，功率密度达108‑
10
12
W/cm2)，具有功率密度高、光脉冲宽度短、击穿阀值大的优点。功率密度高可提高加工速率；脉冲宽度短则每个脉冲与工件的作用时间短，对加工周围区域的热影响小，可提高加工精度；击穿阀值大则不易发生光学击穿，可减少非线性效应，保证提高加工品质。若能将高功率密度激光耦合进入水束光纤，以气化或等离子体为主的机理去除材料，能实现较好加工质量并保证较高的加工效率，有利于推动水导激光加工技术在高精密加工领域的应用。
[0004]现有水导激光加工系统通常包括准直扩束系统、聚焦透镜、耦合单元和喷嘴，激光束在传输过程中能量分布呈高斯分布，高斯分布的激光束在水束光纤横截面上均匀化程度低，易导致工件加工质量低、切缝不平行。激光束经聚焦透镜聚焦后只有一个焦点，单一焦点的激光束经耦合腔、喷嘴与水束耦合，能量集中密度高，易发生光学击穿产生非线性效应，造成激光能量的大量损耗。而高功率激光能量大，一旦发生光学击穿，将产生强烈的非线性效应，严重影响加工质量。因此，现有水导激光加工系统无法适用于高功率激光，高功率激光采用该系统也无法达到较好的加工效果。
[0005]基于上述不足，如能设计针对水射流导引高功率激光的光束整形系统及应用该系统的加工装置，能将高功率激光应用于水导激光系统，并能克服光束均匀化程度低、单焦点能量密度高等问题，可有效提高耦合调整效率、耦合光束能量均匀化及水导系统稳健性，同时提升水导激光技术加工质量、加工效率和加工精度，推进水导激光加工技术在高精度、高效率加工领域的推广与产业化应用。

技术实现思路

[0006]本技术提出的水射流导引高功率激光的光束整形系统及其应用加工装置，可将高功率密度激光应用于水导激光加工技术，优化光束能量分布，提高光束径向和轴向的均匀化程度，有效保证加工质量、加工效率和加工精度。为实现上述技术目的，达到上述技
术效果，本技术通过以下技术方案解决上述问题：
[0007]水射流导引高功率激光的光束整形系统，包括依次设置的激光器、扩束镜组、聚焦单元，所述扩束镜组与聚焦单元之间设置光束整形单元，所述光束整形单元将激光能量从高斯分布整形为能量均匀、焦深长的平顶光分布。
[0008]上述方案中，激光束经扩束镜组进入光束整形单元，光束整形单元和聚焦单元对激光束进行调整使激光能量从高斯分布整形为径向均匀性、轴向均匀性更好和焦深更长的平顶光分布。整形后的光束较高斯分布能量强度在径向和轴向分布更均匀，能更有效、稳健地耦合进水束光纤。
[0009]整形后的光束能量在径向和轴向分布更均匀，可降低单点能量的峰值，能减少光学击穿发生，提高装置对高功率密度激光的容忍度。高功率密度激光的能量高、脉宽短，可有效提高加工速率，减少加工周围区域的热影响，提高加工精度。
[0010]进一步的，所述光束整形单元采用伽利略非球面透镜组、激光衍射分束器或πshaper/pishaper光束整形镜组。
[0011]进一步的，所述伽利略非球面透镜组包括前后排列的伽利略非球面平凹镜、伽利略非球面平凸镜。
[0012]进一步的，所述πshaper/pishaper光束整形镜组包括前后设置的两个光学组件，第一光学组件引入重新分配能量所需的球差，第二光学组件补偿像差。
[0013]进一步的，所述聚焦单元采用长焦深透镜、球面透镜、数轴棱锥镜、多曲率面组合折射透镜、折衍射透镜或折射/衍射透镜组。其中长焦深透镜的前后表面曲率半径，是以对数轴锥镜的相位分布函数为目标函数,通过非线性曲线拟合法获得。
[0014]进一步的，所述扩束镜组与光束整形单元之间设置弯月透镜组，所述弯月透镜组包括前后排列的负光焦度弯月凸透镜、正光焦度弯月凹透镜。
[0015]进一步的，所述扩束镜组包括依次设置的扩束镜、准直镜。
[0016]进一步的，所述激光器采用调Q亚纳秒高功率密度激光、调Q窄脉宽激光、mopa窄脉宽激光或皮秒激光发生器，其输出的功率密度达108‑
10
12
W/cm2量级。
[0017]配置水射流导引高功率激光的光束整形系统的加工装置，包括依次设置的激光器、扩束镜组、光束整形单元、聚焦单元、激光耦合装置；所述光束整形单元将激光能量从高斯分布整形为能量均匀化程度高、焦深长的平顶分布；所述激光耦合装置配置高压供液系统输入高压水流。
[0018]进一步的，所述激光耦合装置的输出端设置工作台单元，工作台单元包括支撑平台，安装于支撑平台上用于放置工件的水槽；所述高压供液系统的进水端连接水槽，出水端连接至激光耦合装置提供稳定的无级调压高压水流。
[0019]本技术的优点与效果是：
[0020]1、本技术所述的水射流导引高功率激光的光束整形系统及其应用加工装置，采用调Q亚纳秒高功率密度激光、调Q窄脉宽激光、mopa窄脉宽激光或皮秒激光等高功率密度激光发生器。高功率密度激光具有功率密度高、光脉冲宽度短、击穿阀值大的优点。将高功率密度激光应用于水导激光加工中，结合水导激光加工的优点，可有效提高加工效率和加工精度。
[0021]2、本技术所述的水射流导引高功率激光的光束整形系统及其应用加工装置，
设置光束整形单元与聚焦单元对光路进行调整，使激光能量从高斯分布整形为径向和轴向分布更均匀、焦深更长的平顶光束，与水束光纤耦合，能量分布于多个焦点可减少光学击穿。该方案优化和均匀激光在水束光纤的横截面上的能量分布，提高水导激光系统对高功率激光的容忍度，使高功率激光较好的应用于水导激光加工技术。
附图说明
[0022]图1为本技术实施例1的光束整形系统示意图；
[0023]图2为本技术实施例2的光束整形系统示意图；
[0024]图3为本技术实施例3的光束整形系统示意图；
[0025]图4(a)为焦点光路f1的点阵图；
[0026]图4(b)为焦点光路f2的点阵图；
[0027]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水射流导引高功率激光的光束整形系统，包括依次设置的激光器(1)、扩束镜组(2)、聚焦单元(3)，其特征在于：所述扩束镜组(2)与聚焦单元(3)之间设置光束整形单元(4)，所述光束整形单元(4)将激光能量从高斯分布整形为能量均匀、焦深长的平顶光分布。2.根据权利要求1所述的水射流导引高功率激光的光束整形系统，其特征在于：所述光束整形单元(4)采用伽利略非球面透镜组(41)、激光衍射分束器(42)或πshaper/pishaper光束整形镜组(43)。3.根据权利要求2所述的水射流导引高功率激光的光束整形系统，其特征在于：所述伽利略非球面透镜组(41)包括前后排列的伽利略非球面平凹镜(411)、伽利略非球面平凸镜(412)。4.根据权利要求2所述的水射流导引高功率激光的光束整形系统，其特征在于：所述πshaper/pishaper光束整形镜组(43)包括前后设置的两个光学组件，第一光学组件引入重新分配能量所需的球差，第二光学组件补偿像差。5.根据权利要求1所述的水射流导引高功率激光的光束整形系统，其特征在于：所述聚焦单元(3)采用长焦深透镜(31)、球面透镜(32)、数轴棱锥镜(33)、多曲率面组合折射透镜(34)、折衍射透镜(35)或折射/衍射透镜组(36)。6.根据权利要求1所述的水射流导引高功率激光的光束整形系统，其特征在于：所述扩束镜组(2)与光束整形单元(4)之间设置弯...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙芋宏，赵臻，黄宇星，张光辉，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：新型
国别省市：