新型水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究

论文摘要

随着精密加工和超精密加工技术的不断发展,激光与其他加工技术的复合逐渐成为加工制造领域的主流技术。在激光复合加工技术中,激光与水射流复合加工技术,即水导引激光加工技术是激光加工技术发展的一个新方向。与传统激光加工技术相比较,水导引激光加工技术具有加工距离长、热影响区小、无热熔渣和加工效率高等优势,已在微电子、航空制造、机械、医学等加工领域中得到应用。然而,现有的水导引激光加工技术采用传统聚焦透镜光学系统,不可避免地存在精密调焦、离焦发散角对耦合条件的影响以及聚焦光学系统的像差等问题。为了解决这些问题,基于轴棱锥镜产生的无衍射光束的中心光斑特性,本文首次将无衍射光束引入到水导引激光加工体系中,设计出了具有同轴监测功能的水射流导引激光加工系统的新方案。深入研究了水射流导引激光加工系统的光学特性、水光纤的流体力学特性及耦合系统的关键技术。利用水光纤波导导引无衍射光束,改变了激光束的能量高斯分布状况,实现了激光的能量近似平顶均匀分布,有效地改善工件加工质量,同时,利用本技术有效扩大了的加工范围,实现在二维平台对工件的三维加工。此外,设计了耦合装置,有效解决了无衍射光束与水光纤波导的耦合效率及传输损耗等关键技术问题。并提出一种新的无衍射光斑中心检测算法,提高了系统的监测精度。本文的主要创新点如下:1.首次把无衍射光应用于水导引激光加工系统。通过对轴棱锥镜产生无衍射光束的光学特性研究,利用无衍射光束具有中心光斑小,能量分布均匀,准直范围长的特点,采用轴棱锥镜替代现有水导引激光技术中的聚焦透镜的技术方案,彻底解决聚焦光学系统的调焦难题,降低了整个系统对设计、加工与调试精度要求;(专利受理号:200910111326.0)2.利用轴棱锥产生的无衍射光束在无衍射区域内光束发散角小,可把无衍射光近似于平行光的特性,有效地解决了激光与水光纤波导的耦合损耗关键技术。3.设计了加工、监测、指示定位三光轴同轴独特的光学系统(发明专利号:200710009244.7),简化了整机光学系统。本光学系统可实现了激光加工全过程的精确定位指示,并对激光与喷嘴耦合情况、水中气泡以及喷嘴的损坏等情况的实时监测;4.基于亚像素细分算法和边缘图像检测方法,提出了利用无衍射光束环栅的边缘信息对无衍射激光光斑中心的亚像素定位检测算法。实验结果表明,本算法实现了对无衍射光束光斑中心高精度定位,有效提高了系统的监测精度。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 激光加工技术的国内外研究现状
• 1.2.2 水射流加工技术的国内外研究现状
• 1.2.3 水导引激光加工技术的国内外研究现状
• 1.3 水导引激光加工技术特点
• 1.4 课题的主要研究内容和章节安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 新型水射流导引激光加工系统设计
• 2.1 激光加工基本原理及理论分析
• 2.1.1 激光与材料的相互作用基本原理
• 2.1.2 影响激光加工质量的因素
• 2.2 新型水射流导引激光加工系统整体方案设计
• 2.2.1 设计思路
• 2.2.2 新型水射流导引激光加工系统设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 水射流导引激光加工系统光学特性研究
• 3.1 光学系统设计思路
• 3.2 无衍射光束原理及特性
• 3.3 轴棱锥镜产生无衍射光束的理论分析与实验
• 3.3.1 高斯光束入射轴棱锥镜的光场分析
• 3.3.2 最大无衍射区域近似计算
• 3.3.3 轴棱锥镜产生无衍射Bessel光束中心光斑特性
• 3.3.4 轴棱锥镜产生无衍射Bessel光束实验
• 3.4 无衍射光束在水光纤波导中传输光学特性
• 3.4.1 光在水光纤波导中传播的全反射条件
• 3.4.2 无衍射Bessel光束在水光纤波导区的传输光学特性研究与实验
• 3.4.3 光学系统对能量分布变换特性
• 3.5 本章小结
• 第4章 导引无衍射光束的水光纤特性研究
• 4.1 稳定水射流的重要性——形成均匀水光纤的重要条件
• 4.2 水射流流体力学基础
• 4.2.1 水的基本性质
• 4.2.4 水射流的基本结构特性
• 4.3 喷嘴结构参数对射流流场的影响
• 4.3.1 射流流场主要参数
• 4.3.2 喷嘴孔径对射流流场的影响
• 4.3.3 喷嘴长径比对射流流场的影响
• 4.3.4 喷嘴收缩角对射流流场的影响
• 4.4 均匀水光纤——水射流水束稳定性研究
• 4.4.1 水射流的破碎机理
• 4.4.2 水射流稳定性分析
• 4.4.3 均匀水光纤最佳长度的获取
• 4.5 本章小结
• 第5章 水射流导引激光加工耦合系统关键技术研究
• 5.1 水射流导引激光加工耦合系统关键技术
• 5.1.1 水光纤波导导引无衍射光束耦合条件
• 5.1.2 水射流稳定条件与实验
• 5.1.3 水对激光能量的吸收特性——选择最佳激光工作波长
• 5.1.4 水中气泡对激光的散射
• 5.2 耦合装置设计
• 5.2.1 耦合装置工作原理
• 5.2.2 耦合装置结构设计
• 5.2.3 耦合装置喷嘴的结构设计与实验
• 5.3 本章小结
• 第6章 水射流导引激光加工系统监测关键技术研究
• 6.1 同轴监测工作原理
• 6.2 激光光斑中心的亚像素定位检测
• 6.2.1 亚像素细分算法
• 6.2.2 传统激光光斑中心检测算法
• 6.2.3 激光光斑中心亚像素定位检测
• 6.3 无衍射光斑中心的亚像素定位检测
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的论文及其他成果
• 致谢