[发明专利]变曲率聚焦光柱透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头

说明书

本发明公开了变曲率聚焦光柱透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头，其特征为：光学聚焦透镜为变曲率聚焦光柱透镜，激光束经过变曲率聚焦光柱透镜射入水射流宝石喷嘴后，沿着水射流的轴心线形成聚焦光柱再发散，通过全反射沿水射流传导。传统水导激光水光耦合对准切割头激光通过聚焦透镜后只有一个聚焦点，能量密度高、易产生气爆，因而适用的激光功率小、切割效率低，而该切割头有无数个激光聚焦点，激光功率在每个聚焦点的激光能量密度显著降低，有效避免了气爆和水射流宝石喷嘴破坏现象的产生，显著提高水导激光的加工效率。

技术领域

本发明属于水导激光加工技术领域，特别涉及一种变曲率聚焦光柱透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头。

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。

传统的水导激光切割头存在两大问题：（1）采用单聚焦点球面透镜，由于激光功率集中于一个聚焦点，在激光功率大时，聚焦点处的水射流发生气爆、喷嘴破坏现象，水导激光加工无法继续，因而只适应于激光功率很小的场合，加工效率低下；（2）水光耦合对准精度低，难以快速精准实现聚焦光柱与导光水射流水柱的对中，导致激光与喷嘴表面发生干涉、水射流宝石喷嘴保持架破坏、水导激光加工无法继续进行。为解决以上两大问题，在大激光功率情况下实现无气爆发生、在聚焦点由一个变为若干个情况下实现聚焦光柱与导光水射流水柱对中，发明人发明了变曲率聚焦光柱透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头。

发明内容

本发明的目的是提供一种变曲率聚焦光柱透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头，主要解决传统的水导激光切割头在使用大功率激光时聚焦点处水射流发生气爆、喷嘴破坏的关键技术难题。为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

变曲率聚焦光柱透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头，包括变曲率聚焦光柱透镜部件（1040）、激光光纤连接头（101）、扩束准直透镜组部件（1020）、分光镜部件（1030）、CCD摄像机调节旋钮（105）、全反射镜部件（1060）、衰减片部件（1070）、滤光片部件（1080）、CCD摄像机（109）、水光耦合腔三坐标移动调节部件（5）、水光耦合腔部件（6）等；激光透过变曲率聚焦光柱透镜部件（1040）中的变曲率聚焦光柱透镜（104）形成若干个聚焦点，这些聚焦点沿着变曲率聚焦光柱透镜（104）的轴心线均匀分布，首先形成一条聚焦光柱（111）；由水光耦合腔三坐标移动调节部件调整变曲率聚焦光柱透镜（104）与水光耦合腔部件（6）的相对位置，使得激光通过变曲率聚焦光柱透镜（104）形成的聚焦光柱（111）与水光耦合腔部件（6）中的水射流宝石喷嘴保持架（606）中心线同轴、并保证激光与水射流宝石喷嘴（605）上表面不发生干涉，激光通过聚焦光柱（111）上相应的聚焦点后再发散、射向导光水射流水柱（8）的内表面，再经全反射沿导光水射流水柱（8）的内部传导。

所述的变曲率聚焦光柱透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头，其变曲率聚焦光柱透镜（104）的球面曲率半径从球面的顶部到边缘呈由大到小变化，最大曲率半径的球面位于透镜轴心线与球面相交的交点位置，即球面的顶部位置，距离轴心线越远，球面的曲率半径越小，最小曲率半径的球面位于透镜球面的边缘位置；在透镜边缘位置的球面曲率半径最小，激光穿过变曲率聚焦光柱透镜（104）边缘形成的聚焦点距离透镜的底面最近；在透镜顶部的球面曲率半径最大，激光穿过变曲率聚焦光柱透镜（104）顶部形成的聚焦点距离透镜的底面最远；