本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種自聚焦激光加工裝置。
背景技術(shù)：
激光加工是微加工領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)，它具有高速精確切削材料的能力和無刀具磨損的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，作為非常有效的一種精細(xì)加工方法。
在激光加工過程中，激光焦點(diǎn)處光斑的大小是影響加工質(zhì)量的重要參數(shù)。在傳統(tǒng)的激光加工中，激光通過聚焦透鏡匯聚形成焦點(diǎn)，在焦點(diǎn)附近加工工件。激光焦點(diǎn)光斑越小，就能夠獲得越精密的加工零件。
一般激光加工開始時(shí)，激光聚焦于工件表面。但隨著激光從工件表面向縱深進(jìn)行刻蝕，激光在工件上的燒蝕點(diǎn)下移，激光聚焦點(diǎn)仍是處于工件表面，即激光燒蝕處因不在激光聚焦位置故加工點(diǎn)的光斑增大，導(dǎo)致了刻蝕精度的降低。另外工作臺(tái)的運(yùn)行等引起的振動(dòng)也會(huì)影響激光聚焦的準(zhǔn)確。
自聚焦(self-focusing)是高光強(qiáng)的光脈沖在透明的非線性介質(zhì)中傳播時(shí)導(dǎo)致的非線性自聚焦效應(yīng)。其物理機(jī)制是在光軸上的光強(qiáng)較強(qiáng)，距離光軸越遠(yuǎn)的地方光強(qiáng)越弱，導(dǎo)致光束中間的折射率較高，光束邊緣的折射率較低。這種折射率分布就像一個(gè)聚焦透鏡一樣，可以產(chǎn)生聚焦效應(yīng)。
已出現(xiàn)將自聚焦應(yīng)用于激光加工設(shè)備設(shè)計(jì)方案。如申請(qǐng)?zhí)枮?00910154783.8的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)“一種自聚焦激光焊接裝置”，該裝置不需要傳統(tǒng)的聚焦透鏡或透鏡組，而是利用強(qiáng)激光在高非線性介質(zhì)中的自聚焦效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)激光的聚焦，用于激光焊接。
但僅依靠自聚焦效應(yīng)實(shí)現(xiàn)激光加工所需要的激光束聚焦，難度較大，也難以達(dá)到最終聚焦的要求。因而目前尚未見到采用自聚焦介質(zhì)的激光加工設(shè)備在市場(chǎng)中出現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種自聚焦激光加工裝置，在現(xiàn)有的激光加工系統(tǒng)的光路上增加盛放有非線性介質(zhì)的容器，透鏡聚焦之后的激光束進(jìn)入容器內(nèi)的非線性介質(zhì)，產(chǎn)生自聚焦，激光束沿著軸線動(dòng)態(tài)聚焦，激光束焦點(diǎn)的光斑進(jìn)一步縮小，且激光束傳遞近似于直線，提高激光加工的精度和效率，其加工效果相當(dāng)于準(zhǔn)直激光加工。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種自聚焦激光加工裝置包括激光器、透鏡和工作臺(tái)，工件固定于工作臺(tái)表面，激光器的激光束經(jīng)透鏡聚焦,本裝置夾持機(jī)構(gòu)在透鏡和工作臺(tái)之間固定一個(gè)容器，其內(nèi)盛放非線性介質(zhì)。激光束經(jīng)透鏡聚焦于非線性介質(zhì)的表面，經(jīng)透鏡聚焦后的光束進(jìn)入非線性介質(zhì)，光在該非線性介質(zhì)中傳遞，產(chǎn)生自聚焦，經(jīng)透鏡和非線性介質(zhì)的兩次聚焦，離開容器的激光束直徑將極小，直線傳播到達(dá)工件表面。
所述非線性介質(zhì)為丙醇、甲醇、二硫化碳、苯等中的任一種。
所述容器內(nèi)非線性介質(zhì)的深度，即所述非線性介質(zhì)的自聚焦距離L與激光束的能量及所采用的非線性介質(zhì)的折射率有關(guān)，自聚焦距離公式如下：
L＝(d/2)[n0/(2n2I0)]1/2
式中，d為激光束的直徑，即為透鏡聚焦后進(jìn)入非線性介質(zhì)時(shí)的激光束直徑；n0為所用非線性介質(zhì)的線性折射系數(shù)；n2為所用非線性介質(zhì)的非線性折射系數(shù)，I0為激光束的峰值功率密度。
雖然自聚焦后激光束傳遞近似于直線，但激光束在空氣中的傳遞還是會(huì)有發(fā)散，因此，激光束離開非線性介質(zhì)至到達(dá)工件表面的距離小于4mm，即容器的內(nèi)底面與工件表面距離小于4mm。
所述激光束、透鏡和容器的中心線處于同一鉛垂線。
所述容器為透明玻璃管，其底面厚度為0.5mm～2mm，以減少激光在玻璃中傳遞的能量損失。
所述容器的內(nèi)徑為8mm～12mm，以便于調(diào)節(jié)與激光束中心線相配合，不妨礙激光束的傳遞。
本裝置還配有水射流輔助裝置，包括水池、泵和射流噴嘴，射流噴嘴產(chǎn)生的水射流束噴射在工件表面形成水層。所述水射流在工件表面的噴射點(diǎn)中心和激光束在工件表面的聚焦點(diǎn)中心的距離等于或小于激光束在工件表面聚焦光斑半徑的1～2.5倍，最佳方案為工件表面激光聚焦點(diǎn)和射流噴射點(diǎn)中心重合。在工件表面水射流的沖擊帶走激光去除的殘?jiān)蜔崃俊?/p>
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種自聚焦激光加工裝置的優(yōu)點(diǎn)為：1、透鏡聚焦與自聚焦相結(jié)合，透鏡聚焦后的激光束在非線性介質(zhì)中的傳遞產(chǎn)生自聚焦，實(shí)現(xiàn)二次聚焦，進(jìn)一步減少激光束的直徑，可為透鏡聚焦后激光束直徑的一半，提高激光束的能量密度，提高加工質(zhì)量和效率；2、自聚焦后的激光準(zhǔn)直傳遞，發(fā)散角小，當(dāng)激光從工件表面向縱深進(jìn)行刻蝕時(shí)，雖然燒蝕點(diǎn)下移，激光束直徑增大極少，改善激光打孔的錐角問題，故可縮小加工的孔徑，減小加工的槽寬，且增加加工的深度，保證刻蝕精度效率；3、水射流配合減少激光加工區(qū)的重鑄層和熱影響。避免殘余應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，及時(shí)排除熔渣，提高加工質(zhì)量和效率。
附圖說明
圖1本自聚焦激光加工裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)為：
1、透鏡，2、容器，3、夾持機(jī)構(gòu)，4、水射流輔助裝置。
具體實(shí)施方式
本自聚焦激光加工裝置實(shí)施例如圖1所示，包括激光器、透鏡1、盛放非線性介質(zhì)的容器2、水射流輔助裝置4和工作臺(tái)。工件固定于工作臺(tái)表面，激光器的激光束經(jīng)反射鏡反射改變方向后，經(jīng)透鏡1聚焦于工件表面。夾持機(jī)構(gòu)3將容器2固定在在透鏡1和工作臺(tái)之間，激光束、透鏡1和容器2的中心線處于同一鉛垂線。本例容器2盛放液體二硫化碳。
本例激光的波長(zhǎng)為1024nm，脈沖能量強(qiáng)度為400mJ，重復(fù)率為10HZ，脈寬為15ns,平行激光束的直徑D＝4mm，透鏡1聚焦點(diǎn)于液體的表面，焦點(diǎn)處激光束的直徑d＝1.45mm；二硫化碳的線性折射系數(shù)n0＝9.0×106esu；二硫化碳的非線性折射系數(shù)n2＝96×10-12esu，I0為脈沖的峰值功率密度，等于脈沖能量強(qiáng)度除以脈沖的脈寬再除以液體表面焦點(diǎn)處激光光斑半徑。
I0＝400/(15×d/2)＝1.6152X1013W/㎡
本例自聚焦距離L的計(jì)算公式如下:
L＝(d/2)[n0/(2n2I0)]1/2＝40mm。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果本例容器2為高度45mm、直徑為5mm、底面厚度為1mm的透明石英玻璃管，其內(nèi)二硫化碳的液體的高度為40mm，本例透鏡1的焦距為24mm，透鏡1聚焦于容器內(nèi)液體表面，容器2內(nèi)底面與工件表面距離小于3mm。
本裝置的水射流輔助裝置4，包括水池、泵和射流噴嘴，射流噴嘴產(chǎn)生的水射流束噴射在工件表面形成水層。所述水射流的噴射點(diǎn)中心和激光束在工件表面的聚焦點(diǎn)中心重合。
本實(shí)施例工件通，直徑僅60μm，加工效果良好，重鑄層和熱影響區(qū)明顯較少，并且加工孔的錐度僅3°～5°，比傳統(tǒng)激光加工孔的錐度顯著減小。
作為對(duì)比例，取下本裝置中的容器2，透鏡1將激光束聚焦于工件表面，加工相同的工件，對(duì)比例加工孔徑約為130μm，錐度為12°～15°，加工效果明顯不及使用本裝置的加工效果。
可見本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置對(duì)透鏡聚焦后的激光束二次聚焦后，明顯減少激光束光斑的直徑，有利于加工小孔，提高精細(xì)加工的質(zhì)量和效率。
上述實(shí)施例，僅為對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個(gè)例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。