[发明专利]水导激光水光耦合变曲率聚焦光柱透镜

说明书

本发明公开了水导激光水光耦合变曲率光柱透镜，属于激光加工技术领域。其特征为：光学透镜为变曲率聚焦光柱透镜，圆柱形激光束经过变曲率聚焦光柱透镜进入水射流喷嘴后，沿着水射流的轴线形成由若干个聚焦点相连而成的光柱，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。与传统的水导激光水光耦合装置相比，本发明由于将原来球面透镜变成了变曲率聚焦光柱透镜，聚焦点由一个变成了若干个，每一个聚焦点的能量密度显著降低，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变曲率聚焦光柱透镜。

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变曲率聚焦光柱透镜。该水导激光水光耦合变曲率聚焦光柱透镜由于将激光在水射流中的聚焦点由一个变为若干个，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：

水导激光水光耦合变曲率聚焦光柱透镜，其球面的曲率半径从球面的顶部到边缘由大到小变化，最大曲率半径R₁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R_n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，激光透过变曲率聚焦光柱透镜顶部形成的聚焦点距离透镜的底面最远；激光透过变曲率聚焦光柱透镜后形成无数个聚焦点，聚焦点沿着透镜的轴心线均匀分布，形成一条聚焦光柱，激光能量均匀分布于这些聚焦点；相比只有一个聚焦点的传统球面透镜，该变曲率聚焦光柱透镜使得每一个聚焦点的能量密度显著降低，从而避免了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，使得激光的功率能够显著提高、水导激光加工系统的加工效率也显著提高。