[发明专利]水射流导引高功率激光的光束整形方法、系统及应用装置

说明书

本发明提供水射流导引高功率激光的光束整形方法、系统及应用装置，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、系统及应用装置，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/或轴向的均匀化程度，有效保证耦合效率、系统稳健性，提高加工质量和加工效率。

技术领域

本发明涉及水导激光加工技术领域，具体涉及一种水射流导引高功率激光的光束整形方法、系统及应用装置。

背景技术

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。

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10⁸-10¹²W/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，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。

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，高功率激光采用该光学聚焦系统也无法达到较好的加工效果。

基于上述不足，如能将高功率激光应用于水导激光加工系统，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。

发明内容

本发明提出的水射流导引高功率激光的光束整形方法、系统及应用装置，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，本发明通过以下技术方案解决上述问题：

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。

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或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/或轴向分布更均匀，能更有效、稳健地耦合进水束光纤。