[发明专利]变曲率聚焦光柱透镜大功率水导激光水光耦合装置

说明书

本发明公开了变曲率聚焦光柱透镜大功率水导激光水光耦合装置，属于激光加工技术领域。其特征为：光学透镜为变曲率聚焦光柱透镜，圆柱形激光束经过变曲率聚焦光柱透镜后进入水光耦合装置，在进入水射流喷嘴后，沿着水射流的轴线形成由若干个聚焦点相连而成的光柱，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。与传统的水导激光水光耦合装置相比，本发明由于将原来球面透镜变成了变曲率聚焦光柱透镜，聚焦点由一个变成了若干个，每一个聚焦点的能量密度获得了显著的降低，有效避免了聚焦点处水爆现象的发生，从而显著提高了激光的功率，进而提高了水导激光的加工效率。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别涉及水导激光加工系统的水光耦合装置。

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，发明人发明了变曲率聚焦光柱透镜大功率水导激光水光耦合装置。该装置由于将激光在水射流中的聚焦点由一个变为若干个，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：

变曲率聚焦光柱透镜大功率水导激光水光耦合装置，其光学透镜为变曲率聚焦光柱透镜，激光透过变曲率聚焦光柱透镜后形成无数个聚焦点，这些聚焦点形成聚焦光柱，这些聚焦点在导光水射流水柱中沿透镜轴心线直线分布，激光能量分布于这些聚焦点中，相比只有一个聚焦点的球面透镜每一个聚焦点的能量密度显著降低，从而避免由于单一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，使得激光的功率能够显著提高，水导激光加工系统的加工效率也显著提高。

所述的变曲率聚焦光柱透镜大功率水导激光水光耦合装置由变曲率聚焦光柱透镜、水光耦合腔体、玻璃窗口、高压纯净水、水射流喷嘴、聚焦光柱、导光水射流水柱、柱状平行激光光束等组成；

所述的水光耦合腔体呈圆柱形结构，内部是一个圆柱状的腔体，在腔体的上壁开一圆形的孔用于激光束的射入，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，腔体的下壁，固定有水射流喷嘴；在水光耦合腔体的圆柱面上，设有进水孔，高压水从该进水孔进入，从水射流喷嘴喷出形成圆柱状的导光水射流水柱；

所述的变曲率聚焦光柱透镜的曲率半径由大到小变化，在透镜轴心线位的球面曲率半径最大，激光穿过变曲率聚焦光柱透镜边缘形成的聚焦点距离透镜的底面最远，在透镜的边缘位置的球面曲率半径最小，激光透过变曲率聚焦光柱透镜顶部形成的聚焦点距离透镜的底面最近；

所述的聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成一条聚焦光柱，激光通过聚焦光柱上相应的聚焦点后射向导光水射流水柱内表面，再经全反射沿导光水射流水柱传输；聚焦光柱的最上部聚焦点位于水射流喷嘴上表面的下侧，经变曲率聚焦光柱透镜与水射流喷嘴的对准调整，聚焦光柱位于导光水射流水柱的轴心线上。

本发明的变曲率聚焦光柱透镜大功率水导激光水光耦合装置，具有以下优点和效果：