[发明专利]水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜

说明书

本发明公开了水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜，属于激光加工技术领域。其特征为：光学透镜为多聚焦点球面透镜，圆柱形激光束经过多聚焦点球面透镜进入水射流喷嘴后，沿着水射流的轴心线形成多个聚焦点，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。与采用传统的单一聚焦点球面透镜相比，本发明由于将原来单一聚焦点球面透镜变成了多聚焦点球面透镜，聚焦点由一个变成了多个，激光能量在所有聚焦点均匀分布，每个聚焦点的能量密度都显著降低，有效避免了气爆现象的发生，从而显著提高了激光的功率和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，特别涉及水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜。

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，发明人发明了水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜。该水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜由于将激光在水射流中的聚焦点由一个变为多个，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：

水导激光水光耦合多聚焦点球面透镜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。

所述的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。