[发明专利]一种水导激光光路耦合方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种不借助辅助观察光路以及图像传感器就能够简单实现激光光束与水射流耦合调整方法及装置。

背景技术

水导激光加工技术利用光在水和空气两相介质中发生全反射的原理，将激光束耦合到水射流中对材料进行加工。由于脉冲激光加工的瞬态性以及水射流对材料表面的冷却冲洗作用，使得水导激光加工技术在脆性、热敏感材料微加工领域具有独特的优势而受到国内外研究者的关注。

而水导激光加工技术中的一个关键问题就是要使光耦合入水射流中，可调范围不是很大，稍微偏移就会使出射能量损耗，达不到加工强度，严重还会使喷头报废。

目前国际上仅有一家辛诺瓦公司能生产成套水导加工设备。根据其中文专利“采用并入液体射流中的激光束的材料加工装置”（CN1134322C）里的描述，通过观察光斑在喷水口的相对位置进行调整的，由于喷口一般很小，最小可达80um，必须增加额外的显微光路、照明光路以及CCD图像采集系统，造成喷头结构复杂体积庞大。之后的相关专利和文献都是借鉴了这一方法，只是细节稍有不同，如专利“利用引入射流柱中的激光束的激光加工装置”、“一种微水导激光耦合对准装置”、哈尔滨工业大学李灵博士论文《水导激光微细加工技术研究》、厦门大学叶瑞芳博士论文《新型水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究等在光路耦合调整方法上都离不开这个范畴。事实上，这种方法还存在一些问题，由于以喷口所在平面为基准进行观察，当光斑位于喷口内时，是观察不到反射光斑的，只能通过调整光路使其达到喷口边缘才能观察到反射光，以此作为调整依据。而为了最大限度将光耦合入水射流中，必须使光斑聚焦与这个平面内，这样观察到的光斑最小，位置最准确。但是将喷口面作为聚焦面，在加工作业时如果出现光路瞬间扰动，就能使高能聚焦光斑射在喷口边缘造成永久损坏。这点在专利“混合激光加工装置”、“一种水射流与光纤激光直接耦合装置”中都被指出，但是两个专利作者只是针对装置提出改进方案，但是对于耦合调整方法上存在的矛盾都进行了回避。

因此，本领域迫切需要开发一种能够将激光准确耦合入水流且操作方便、对喷头无损伤的方法及装置。

发明内容

本发明提供了一种水导激光光路耦合的方法，本发明对喷头要求低、操作简单，且对喷头装置无损伤。

本发明的第一方面，提供了一种使水导激光光路耦合的方法，包括步骤：

（i）提供一水导激光，其中所述水导激光的水柱和激光路径基本吻合；

（ii）将（i）中的水导激光通过透射元件投射至透射元件远端的成像元件，从而形成激光光斑；

（iii）调整（i）中所述水柱和激光之间的角度，从而使所述激光光斑成为独立的环状光斑从而完成耦合；和任选的

（iv）对所述独立环形光斑进行光功率读数，并再次调整所述入射激光元件或出水元件，从而使所述激光光斑保持独立环状光斑且光功率读数为最大并完成耦合。

在另一优选例中，步骤(iii)还包括将所述激光光斑对准比较所述成像元件上的标识，从而调整激光光斑至独立的环状光斑；和/或对形成的独立环状光斑进行记录。

在另一优选例中，在调整过程中细致比较光斑形状位置变化，包括圆心位置以及内外环半径。

在另一优选例中，步骤（iv）完成后，记录最佳状态时光斑的尺寸与位置，从而在以后装置需要重新调整时可以省略步骤（iv）而直接在步骤(iii)根据以前记录直接调整至最佳耦合状态。

在另一优选例中，所述的透射元件设于所述水柱出水口远端，且距离所述水柱出水口为5～100mm，较佳地，10～50mm，更佳地15-30mm。

所述成像元件设于所述透射元件远端，且距离所述透射元件距离为10～200mm处，较佳地30～100mm，更佳地50-80mm。

在另一优选例中，所述水柱由喷头提供，且所述的喷头不含显微光路或CCD成像元件。

在另一优选例中，所述的喷头包括靠近光路的近端聚焦透镜以及位于光路远端的透明、封闭的出水腔。

在另一优选例中，所述的水导激光的方向为垂直或水平方向。

在另一优选例中，所述步骤(iii)中调整所述水柱和激光之间的角度由角度调整元件完成。

在另一优选例中，所述的角度调整元件包括相互正交的多维调整件，且用于调整所述入射光源及所述出水元件之间的相对角度。

本发明的第二方面，提供了一种水导激光光路耦合调整装置，所述装置包括以下元件：

(a)用于实施本发明第一方面所述方法的步骤(i)的元件；