本發(fā)明涉及激光加工技術領域，具體為一種自聚焦激光加工裝置。
背景技術：
激光加工是微加工領域中的一項重要技術，它具有高速精確切削材料的能力和無刀具磨損的優(yōu)點，現(xiàn)已應用于不同的領域，作為非常有效的一種精細加工方法。
在激光加工過程中，激光焦點處光斑的大小是影響加工質量的重要參數。在傳統(tǒng)的激光加工中，激光通過聚焦透鏡匯聚形成焦點，在焦點附近加工工件。激光焦點光斑越小，就能夠獲得越精密的加工零件。
一般激光加工開始時，激光聚焦于工件表面。但隨著激光從工件表面向縱深進行刻蝕，激光在工件上的燒蝕點下移，激光聚焦點仍是處于工件表面，即激光燒蝕處因不在激光聚焦位置故加工點的光斑增大，導致了刻蝕精度的降低。另外工作臺的運行等引起的振動也會影響激光聚焦的準確。
自聚焦(self-focusing)是高光強的光脈沖在透明的非線性介質中傳播時導致的非線性自聚焦效應。其物理機制是在光軸上的光強較強，距離光軸越遠的地方光強越弱，導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聚焦透鏡一樣，可以產生聚焦效應。
已出現(xiàn)將自聚焦應用于激光加工設備設計方案。如申請?zhí)枮?00910154783.8的中國發(fā)明專利申請“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，而是利用強激光在高非線性介質中的自聚焦效應，實現(xiàn)激光的聚焦，用于激光焊接。
但僅依靠自聚焦效應實現(xiàn)激光加工所需要的激光束聚焦，難度較大，也難以達到最終聚焦的要求。因而目前尚未見到采用自聚焦介質的激光加工設備在市場中出現(xiàn)。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是設計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的容器，透鏡聚焦之后的激光束進入容器內的非線性介質，產生自聚焦，激光束沿著軸線動態(tài)聚焦，激光束焦點的光斑進一步縮小，且激光束傳遞近似于直線，提高激光加工的精度和效率，其加工效果相當于準直激光加工。
本發(fā)明設計的一種自聚焦激光加工裝置包括激光器、透鏡和工作臺，工件固定于工作臺表面，激光器的激光束經透鏡聚焦,本裝置夾持機構在透鏡和工作臺之間固定一個容器，其內盛放非線性介質。激光束經透鏡聚焦于非線性介質的表面，經透鏡聚焦后的光束進入非線性介質，光在該非線性介質中傳遞，產生自聚焦，經透鏡和非線性介質的兩次聚焦，離開容器的激光束直徑將極小，直線傳播到達工件表面。
所述非線性介質為丙醇、甲醇、二硫化碳、苯等中的任一種。
所述容器內非線性介質的深度，即所述非線性介質的自聚焦距離L與激光束的能量及所采用的非線性介質的折射率有關，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，即為透鏡聚焦后進入非線性介質時的激光束直徑；n0為所用非線性介質的線性折射系數；n2為所用非線性介質的非線性折射系數，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有發(fā)散，因此，激光束離開非線性介質至到達工件表面的距離小于4mm，即容器的內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。
所述容器的內徑為8mm～12mm，以便于調節(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中心和激光束在工件表面的聚焦點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和射流噴射點中心重合。在工件表面水射流的沖擊帶走激光去除的殘渣和熱量。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明一種自聚焦激光加工裝置的優(yōu)點為：1、透鏡聚焦與自聚焦相結合，透鏡聚焦后的激光束在非線性介質中的傳遞產生自聚焦，實現(xiàn)二次聚焦，進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，提高加工質量和效率；2、自聚焦后的激光準直傳遞，發(fā)散角小，當激光從工件表面向縱深進行刻蝕時，雖然燒蝕點下移，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。避免殘余應力和微裂紋的產生，及時排除熔渣，提高加工質量和效率。
附圖說明
圖1本自聚焦激光加工裝置實施例結構示意圖。
圖中標號為：
1、透鏡，2、容器，3、夾持機構，4、水射流輔助裝置。
具體實施方式
本自聚焦激光加工裝置實施例如圖1所示，包括激光器、透鏡1、盛放非線性介質的容器2、水射流輔助裝置4和工作臺。工件固定于工作臺表面，激光器的激光束經反射鏡反射改變方向后，經透鏡1聚焦于工件表面。夾持機構3將容器2固定在在透鏡1和工作臺之間，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。
本例激光的波長為1024nm，脈沖能量強度為400mJ，重復率為10HZ，脈寬為15ns,平行激光束的直徑D＝4mm，透鏡1聚焦點于液體的表面，焦點處激光束的直徑d＝1.45mm；二硫化碳的線性折射系數n0＝9.0×106esu；二硫化碳的非線性折射系數n2＝96×10-12esu，I0為脈沖的峰值功率密度，等于脈沖能量強度除以脈沖的脈寬再除以液體表面焦點處激光光斑半徑。
I0＝400/(15×d/2)＝1.6152X1013W/㎡
本例自聚焦距離L的計算公式如下:
L＝(d/2)[n0/(2n2I0)]1/2＝40mm。
根據以上計算結果本例容器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聚焦于容器內液體表面，容器2內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中心和激光束在工件表面的聚焦點中心重合。
本實施例工件通，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)明設計的裝置對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，提高精細加工的質量和效率。
上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內。