一种轴透镜水导激光自动耦合方法与流程

本发明属于水导激光，涉及一种轴透镜水导激光自动耦合方法。

背景技术：

1、水导激光技术是一种先进的激光加工技术。其原理是利用激光在水与空气的界面上发生全反射的现象，将激光束耦合到微细水射流之中，水射流内保持极高的激光能量密度，从而实现对材料的加工。然而，现有的水导激光耦合装置在实际应用中仍面临一些挑战。例如光线在传播遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。现有的水导激光加工中，透镜是通过控制透镜表面的曲率，利用透镜产生的光程差使光线汇聚成一点(图1)。

2、因此现有的耦合装置往往存在以下问题：实际光路系统中光斑难聚焦小；激光聚焦光束与喷嘴中心难调节同心；激光光束聚焦后的最小点难保证在喷嘴的上表面中心等导致耦合效率受限：由于光学设计或结构限制，导致激光光束在耦合过程中能量损失较大，降低了整体加工效率。稳定性不佳：受到环境因素或机械振动的影响，光束的耦合效果容易出现波动，影响加工质量。调节性差：无法灵活适应不同的激光参数或加工要求，限制了装置的适用性。

3、为满足日益增长的高精度、高效率加工需求，迫切需要一种新型的激光耦合装置来解决上述问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明具体是通过如下技术方案来实现的。

2、本发明公开一种轴透镜水导激光自动耦合方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、激光器发出光束经过扩束系统将光束整形成平行光，在经过四分之一波片后将激光器发出光束线的偏振光束转换成圆偏振光束状态、为后期激光加工时提供各状态下均匀、高质量的光斑；

4、步骤s2、然后在第一分光镜下对光束进行折转进入梯度折射透镜；梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点，实现更高效、稳定和灵活的激光光束耦合；

5、步骤s3、梯度折射透镜将光束聚焦成为比水射流耦合腔的喷嘴直径小、准直范围长、中心光斑小的无衍射光束，然后在水柱里面进行全反射传播；产生的细长激光水射流与工件进行相对运动对工件进行加工；

6、步骤s4、检测光源发出光束经过第二分光镜和第一分光镜、穿过梯度折射透镜直接照射在水射流耦合腔喷嘴的上表面，按照光路的可逆性，ccd相机对喷嘴中心位置进行拍照，控制系统计算中心位置坐标(x1,y1)；

7、步骤s5、控制系统启动微动移动模块使聚焦模块移动离喷嘴中心比较远的地方，同时控制激光器发射激光在对光板上加工标记点；

8、步骤s6、控制系统启动检测系统中的ccd相机对标记点进行拍照获取坐标，同时控制系统计算出标记点的位置坐标(x2,y2)；

9、步骤s7、经过对喷嘴中心位置和激光光束在耦合腔体中的位置检测计算得出了激光光束相对喷嘴中心位置的偏差值(δx,δy)；

10、步骤s8、控制系统启动微动移动模块将聚焦模块在平面(x2,y2)的基础上移动(δx,δy)，使其聚焦光束中心与喷嘴中心位置重叠便完成了位置校准；

11、步骤s9、在功率计下控制系统控制微动移动模块的高度对聚焦模块聚集的焦点位置进行调节，使水光耦合率达到最大，使得激光功率在加工中应用更充分；

12、步骤s10、控制系统控制激光器、供水系统按照图纸进行相应的零件加工。

13、优选的，所述步骤s2中，所述第一分光镜的镜面与入射激光夹角为45°；步骤s4中，第二分光镜的镜面、第一分光镜的镜面与入射检测光夹角为45°。

14、优选的，所述激光器的发射激光正对扩束器的入射方向，扩束器扩束后的激光正对波片的入射方向，波片的出射光射向第一分光镜；激光器的发射激光依序经过扩束器、波片后将偏振光束转换成圆偏振光束并射入第一分光镜；

15、第一分光镜的出射激光正对聚焦模块的入射方向，聚焦模块的出射光穿过对光板后照射在水射流耦合腔的激光入射口上，水射流耦合腔连接有供水装置，水射流耦合腔耦合的激光水射流照射在样件的加工面上进行激光加工。

16、优选的，所述耦合系统还包括：检测光源、控制系统、ccd相机，检测光源的发射光射向第二分光镜，第二分光镜的出射检测光正对聚焦模块的入射方向，ccd相机的摄像镜头正对第二分光镜的出射检测光方向；第二分光镜的出射检测光光路与所述第一分光镜的出射激光光路重合；

17、聚焦模块上设有微动移动模块，微动移动模块带动聚焦模块沿激光的入射方向上下微动；

18、检测光源、ccd相机、激光器、供水装置、微动移动模块分别电连接至控制系统。

19、优选的，所述扩束器沿激光的入射方向依序为凹透镜、凸透镜。

20、本发明的有益效果是：

21、1.本发明具有更高的耦合效率：本发明通过采用梯度折射模块和可调节反射镜，能够更有效地将激光光束耦合进束柱中，减少能量损失，有效提高了水导激光加工的激光水射流耦合效率。

22、2.本发明具有更高的稳定性：本发明采用检测系统和微动移动模块的结合，使光束的耦合更加稳定，不受外界因素干扰，提升了水导激光加工的激光水射流加工稳定性。

23、3.本发明具有更高的精度：本发明提高了耦合的准确性，从而实现更高精度的激光加工，提升了水导激光加工的加工精度。

24、4.本发明更易于操作和控制：整体结构设计更加合理，操作和控制更加简单方便，使得操作人员在进行水导激光加工时的操作与控制更加简单方便、可控性强。

25、5.本发明具有更低的成本：本发明降低了激光水射流耦合装置的调节难度，提高了耦合效率，提升了加工效率及合格率，因此本发明在一定程度上降低了设备成本、维护成本和生产成本。

技术特征：

1.一种轴透镜水导激光自动耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种轴透镜水导激光自动耦合方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述第一分光镜(11)的镜面与入射激光夹角为45°；所述步骤s4中，所述第二分光镜(14)的镜面、所述第一分光镜(11)的镜面与入射检测光夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的一种轴透镜水导激光自动耦合方法，其特征在于，所述扩束器(2)沿激光的入射方向依序为凹透镜、凸透镜。

4.根据权利要求1所述的一种轴透镜水导激光自动耦合方法，其特征在于，所述激光器(1)的发射激光正对所述扩束器(2)的入射方向，所述扩束器(2)扩束后的激光正对所述波片(3)的入射方向，所述波片(3)的出射光射向第一分光镜(11)；所述激光器(1)的发射激光依序经过扩束器(2)、波片(3)后将偏振光束转换成圆偏振光束并射入所述第一分光镜(11)；

5.根据权利要求1所述的一种轴透镜水导激光自动耦合方法，其特征在于，所述检测光源(4)的发射光射向第二分光镜(14)，所述第二分光镜(14)的出射检测光正对所述聚焦模块(6)的入射方向，所述ccd相机(5)的摄像镜头正对所述第二分光镜(14)的出射检测光方向；所述第二分光镜(14)的出射检测光光路与所述第一分光镜(11)的出射激光光路重合。

技术总结
本发明属于水导激光技术领域，涉及一种轴透镜水导激光自动耦合方法，包括：激光器、扩束器、波片、检测光源、聚焦模块、对光板、控制系统、样件；激光器的发射光经扩束整形成平行光后转换成圆偏振光束状态，再折转进入梯度折射透镜，梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点；本发明通过采用梯度折射模块和可调节反射镜，能够更有效地将激光光束耦合进束柱中，减少能量损失，有效提高了水导激光加工的激光水射流耦合效率。

技术研发人员：张鑫磊,相里景泉,朱江峰,罗志发,陈泽咏
受保护的技术使用者：陕西渥特镭铯机械制造有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23