[发明专利]一种离轴光路的水导激光加工耦合装置

说明书

一种离轴光路的水导激光加工耦合装置，该装置包括CCD、成像透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、隔水玻璃、喷嘴、激光器、第一聚焦透镜Z向移动机构、X‑Y移动平台和耦合水腔。本发明在激光光路中采用两个聚焦透镜进行聚焦，第一聚焦透镜可以进行Z方向调节，第二聚焦透镜与喷嘴固定在耦合水腔内，耦合水腔固定在X‑Y移动平台上，使第一聚焦透镜与第二聚焦透镜形成一种离轴光路系统。本发明可使激光光斑相对喷嘴中心的位移小于移动平台的实际位移，从而实现对移动分度及移动增量的进一步细分，这对微米级的激光光斑与喷嘴对准十分有利，可实现更高精度的耦合对准，同时解决了现有技术中由于耦合对准中的不准确性所造成的激光传输效率降低的问题。

技术领域

本发明涉及水导激光加工技术领域，具体涉及一种水导激光耦合装置。

背景技术

水导激光技术是1993年瑞士Bernold博士提出的一种激光水射流复合加工方法。该方法在微细水柱中引入激光进行切割，微细水柱既能传导激光，又能冷却工件，去除熔融产物。一方面继承了激光切割无机械压力、无工件变形、无刀具磨损、切口宽度窄等优点，另一方面微细水柱起到良好的散热作用，减少切割区域附近的热效应，有效带走熔渣避免污染和重熔，大大提高切割质量。

水导激光核心技术是水导激光耦合装置，其主要作用是产生纤细稳定的水束，并将激光耦合进入水束中。耦合原理是先将高能激光束进行聚焦以减小激光束腰尺寸，然后调整束腰与射流喷嘴的相对位置，使激光能量全部进入水束光纤中，激光会在水束与空气交界处发生全反射进而向前传输，直达待加工工件表面。实现激光与水射流耦合，一方面要求聚焦激光束腰直径要小于喷嘴直径，且发散角要小于全反射临界角。另一方面要求激光束腰与喷嘴具有较高的对中性。

国内外学者设计了多种形式的耦合装置。最早的耦合装置由Bernold博士设计，该装置的光学系统将光纤输出的激光进行准直后，经由一个透镜进行聚焦，直接进行耦合，该装置首次实现了水导激光加工。国内哈尔滨工业大学李灵博士等通过单聚焦透镜进行水束激光耦合，基于图像处理的方法，识别激光在喷嘴表面的烧斑位置和孔口位置，得到相对偏移进而进行耦合对准。厦门大学叶瑞芳等提出使用轴棱锥代替凸透镜进行聚焦，其优点是可以产生无衍射且中心光斑直径较小的光束。但不论采用何种方法，喷嘴尺寸和激光束腰直径都很小，属微米级，这对机械移动平台的精度和分辨率提出了很高的要求，耦合对中的不准确将对激光传输效率产生严重影响，甚至会将喷嘴打坏，无法进行水导激光加工。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于离轴光学系统的水导激光耦合装置，使其方便调节，且进一步提高耦合对准的精度。

本发明的技术方案如下：

一种离轴光路的水导激光加工耦合装置，该装置包括CCD、成像透镜、45°平面反射镜、第一聚焦透镜、耦合水腔、喷嘴、隔水玻璃和激光器，其特征在于：所述装置还包括第二聚焦透镜、X-Y移动平台和第一聚焦透镜Z向调节机构；所述第二聚焦透镜与喷嘴固定在耦合水腔内，第二聚焦透镜与喷嘴同轴安装；所述耦合水腔固定在X-Y移动平台上；

激光器出射的高斯激光束经准直后水平入射到45°平面反射镜，反射后的激光束依次通过第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，进入耦合水腔中，经喷嘴上表面反射的光束依次通过第二聚焦透镜和第一聚焦透镜，之后透过45°平面反射镜，再经成像透镜于CCD中成像。

上述技术方案中，喷嘴上表面与第二聚焦透镜出射激光束腰位置在同一平面内，即喷嘴上表面与第二聚焦透镜出射面轴向距离l₃满足以下关系：

其中：

l₃表示第二聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜出射面的轴向距离；

l₂表示第一聚焦透镜出射激光束腰位置与第二聚焦透镜入射面的轴向距离；