[发明专利]水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜

权利要求书

1.水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：其曲面由多个轴心线相同、半径不同的球面相交而成，在水导激光水光耦合装置中使用时，激光透过透镜形成沿透镜轴心线分布的多个聚焦点，通过水导激光耦合对准装置的调节使这些聚焦点位于水光耦合装置水射流喷嘴喷射的导光水射流水柱的中心线上，激光通过相应的聚焦点后再发散、射向导光水射流水柱的内表面，再经全反射在导光水射流水柱内部传输；由于激光的能量分布于多个聚焦点，使得每一个聚焦点的能量密度显著降低，从而避免传统单一聚焦点透镜因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，使得激光功率和水导激光加工系统的加工效率都显著提高。

2.根据权利要求1所述的水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：位于最顶部的球面其半径R₁最大，距离轴心线越远的环形球面其半径越小，距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径R_n最小；在透镜边缘位置的环形球面半径R_n最小，激光穿过该环形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面其半径R₁最大，激光穿过该形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最远；聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成多个聚焦点。

3.根据权利要求1所述的水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等，设：多聚焦点球面透镜顶部球面和环形球面的总数为n个，顶部球面沿轴心线在水平面投影的平面圆半径为r₁，最外边环形球面沿轴心线在水平面投影的平面圆环外圆半径为r_n，则在已知r_n的情况下，中心平面圆或某个平面圆环的外圆半径计算公式为其中i取值范围：1至n-1；多聚焦点球面透镜顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等，使得激光在导光水射流水柱7中每个聚焦点6分布的激光能量相同，使得每一个聚焦点的能量密度显著降低，从而避免传统单一聚焦点透镜由于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，使得激光的功率和水导激光加工系统的加工效率都显著提高。

4.根据权利要求1所述的水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，其特征在于：该水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜应用于大功率水导激光水光耦合装置；该水光耦合装置由多聚焦点球面透镜(1)、水光耦合腔体(2)、玻璃窗口(3)、高压纯净水(4)、水射流喷嘴(5)、聚焦光柱(6)、导光水射流水柱(7)、圆柱状平行激光光束(8)等组成；其中多聚焦点球面透镜(1)位于水光耦合腔体(2)的正上方；水光耦合腔体(2)呈圆柱形结构，内部是一个圆柱状的腔体，在腔体的上壁中心位置开有一圆形孔(12)，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(3)；在腔体的下壁中心位置，固定有水射流喷嘴(5)；在水光耦合腔体的圆柱面上，设有进水孔(13)，高压水从该进水孔进入，从水射流喷嘴(5)喷出形成圆柱状的导光水射流水柱(7)；多聚焦点球面透镜1其曲面由多个轴心线相同、半径不同的球面相交而成，位于最顶部的球面其半径R₁最大，距离轴心线越远的环形球面其半径越小，距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径R_n最小；在透镜边缘位置的环形球面半径R_n最小，激光穿过该环形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面其半径R₁最大，激光穿过该形球面形成的聚焦点距离透镜的底面最远；聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成多个聚焦点；激光通过相应的聚焦点后再发散、射向导光水射流水柱7的内表面，再经全反射在导光水射流水柱(7)内部传输；经多聚焦点球面透镜(1)与水射流喷嘴(5)的对准调整，使得聚焦点(6)位于导光水射流水柱(7)的轴心线上，并保证入射激光与水射流喷嘴上表面不发生干涉。

5.根据权利要求3所述的大功率水导激光水光耦合装置，其特征在于：该大功率水导激光水光耦合装置应用于水导激光加工系统；该水导激光加工系统由激光器(21)、光纤激光束(22)、扩束准直透镜组(23)、分光镜(24)、多聚焦点球面透镜(25)、水光耦合腔体(26)、导光水射流水柱(27)、被加工工件(28)、CCD摄像机(29)、衰减片(30)、滤光片(31)、全反射镜(32)组成；激光器(21)发出的激光进入光纤形成光纤激光束(22)，再经过扩束准直透镜组(23)和分光镜(24)，到达多聚焦点球面透镜(25)，穿过多聚焦点球面透镜(25)的激光束，射入水光耦合腔体(26)后沿导光水射流水柱(27)内部从上到下聚焦为多个聚焦点，在经发散射向导光水射流水柱(27)的内表面，再经全反射沿导光水射流水柱(27)传输到达被加工工件(28)表面，从而对被加工工件(28)进行加工；从水光耦合腔体(26)经多聚焦点球面透镜(25)反射回来的光线，经分光镜(24)和全反射镜(32)的反射，再经滤光片(31)、衰减片(30)，到达CCD摄像机(29)，由摄像机显示激光由多聚焦点球面透镜(25)射入水光耦合腔体(26)的激光光束与导光水射流水柱(27)的对准情况，并通过机械传动装置调整水光耦合腔体(26)中水射流喷嘴与多聚焦点球面透镜(25)的相对位置，使得聚焦点位于导光水射流水柱(27)的内部。