張光輝，黃宇星，黃 平，周 遼，焦 輝，龍芋宏

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004)

引 言

水導(dǎo)激光加工技術(shù)是將傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)與水射流加工技術(shù)相結(jié)合，基于激光可在圓柱形水束水氣界面發(fā)生全反射原理，利用水射流對(duì)激光進(jìn)行引導(dǎo)，從而將激光作用于材料表面[1]。相比于傳統(tǒng)激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光加工技術(shù)既能達(dá)到激光燒蝕材料加工的目的，又能利用水射流的冷卻、沖擊作用減少熱影響區(qū)以及去除加工過(guò)程中殘?jiān)葍?yōu)點(diǎn)，有效地提高了加工的質(zhì)量[2]。從初始時(shí)COLLADON等人發(fā)現(xiàn)并描述的“導(dǎo)光噴泉”現(xiàn)象[3-4]，到RICHERZHAGEN[5-6]對(duì)水射流導(dǎo)光現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，驗(yàn)證了水射流引導(dǎo)激光的可行性。水導(dǎo)激光加工技術(shù)以其獨(dú)有的加工優(yōu)勢(shì)，在微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用在航空航天、生物醫(yī)療、微電子等行業(yè)[7-8]。

水-光耦合傳能規(guī)律是水導(dǎo)激光加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。SPIEGEL等人[9]研究得出水束中激光的非線性受激喇曼散射現(xiàn)象對(duì)激光在水束中的傳輸有著一定衰減的作用。SALENKO等人[10]分析得出水導(dǎo)激光中水束的流場(chǎng)波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致水束光纖截面光強(qiáng)發(fā)生變化。COUTY等人[11]將高斯激光與水束進(jìn)行耦合，研究不同數(shù)值孔徑、不同噴嘴直徑、入射激光焦點(diǎn)位置對(duì)水束中激光光斑分布形態(tài)的影響，得出通過(guò)增加激光數(shù)值孔徑以及采取適當(dāng)?shù)钠蝰詈希兄谔岣咚屑す鈧鬏斀孛娴墓鈴?qiáng)分布均勻。COUTY等人[12]還研究了在不同的耦合和射流速度條件下，高功率激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的水射流破裂現(xiàn)象。LI[13]通過(guò)對(duì)激光與水束耦合對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的各種偏差進(jìn)行仿真分析，并對(duì)水束中輸出功率密度分布和輸出能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析。ZHANG等人[14]研究發(fā)現(xiàn),海洋湍流參量對(duì)非均勻偏振光束在海水中的傳輸特性占主導(dǎo)影響。DENG等人[15]模擬了激光與水束的耦合效應(yīng)，探究了不同數(shù)值孔徑、不同水束直徑及速度下傳輸過(guò)程中的溫度分布。ZHANG等人[16]仿真分析了激光在不同焦距及水束光纖直徑下沿軸向傳輸?shù)哪芰糠植?，?shí)驗(yàn)驗(yàn)證耦合后的水束中激光能量密度分布呈現(xiàn)高斯分布。

上述文獻(xiàn)中主要通過(guò)對(duì)水-光耦合過(guò)程中激光束的質(zhì)量、水束的穩(wěn)定狀態(tài)和激光與水束耦合對(duì)準(zhǔn)時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系等因素對(duì)水束光纖中激光能量的影響進(jìn)行研究，而對(duì)影響水束中激光功率密度分布的激光功率、水束長(zhǎng)度、水壓等因素目前還缺少系統(tǒng)的研究。本文中通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)凸透鏡聚焦模式下獲得的激光束進(jìn)行分析，并將聚焦后的激光束與水束耦合，通過(guò)對(duì)激光與水束的耦合對(duì)準(zhǔn)仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)激光在不同水束長(zhǎng)度段的傳輸效率進(jìn)行研究，并進(jìn)一步分析不同激光功率、不同水束壓力條件下及不同水束長(zhǎng)度下的激光功率密度分布，深入分析水導(dǎo)激光中水-光耦合傳能規(guī)律，提高激光在水束中的能量傳輸效率。

1 激光與水束光纖耦合理論基礎(chǔ)

水導(dǎo)激光技術(shù)的核心是激光能夠在水束中傳輸，前提條件是激光焦斑直徑小于水束直徑和激光能夠在水束中發(fā)生全反射作用。

激光在噴嘴孔入口面與水束進(jìn)行耦合對(duì)準(zhǔn)，如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of laser and water-jet coupling

為避免激光燒蝕噴嘴，影響實(shí)際加工質(zhì)量，激光光斑尺寸與水束直徑在噴嘴孔處關(guān)系必須滿足以下公式：

2w

(1)

式中，w為激光焦點(diǎn)半徑，dw為水束直徑，dn為噴嘴孔直徑，α為收縮系數(shù)。

由于水束的縮流效應(yīng)[17]，實(shí)際水束直徑小于噴嘴孔直徑。對(duì)噴嘴處進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析(如圖2所示)，得出收縮系數(shù)αs=dw/dn≈0.83。在水束下方放置一反射鏡，再利用工業(yè)相機(jī)——電荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)觀察到噴嘴孔入水口面處，如圖3所示。噴嘴孔中亮斑即為實(shí)際水束直徑，可得收縮系數(shù)αe≈0.83。所得參數(shù)與參考文獻(xiàn)中接近[18-19]，下文中收縮系數(shù)α默認(rèn)為0.83。

Fig.2 Flow field simulation diagram at nozzle hole

Fig.3 Shrinkage diagram obtained by experiment

激光能夠在水束中發(fā)生全反射作用是激光能夠在水束中傳輸?shù)闹匾獥l件。水束為圓柱形水射流，激光在水中的折射率保持不變，所以水束可視為多模階躍折射率光纖?；诠庠诠饫w中的傳輸特性及光線理論分析，激光在水束光纖中的傳輸可以分為子午光線和斜光線傳輸。子午光線的傳輸路徑必經(jīng)過(guò)光纖中心軸，與此相反，與光纖中心軸不相交的光線為斜光線[20]。水束光纖中子午光線和斜光線占比不同也會(huì)對(duì)激光功率密度分布情況產(chǎn)生影響，如圖4所示。

Fig.4 Analysis of light transmission type after laser coupled water beam fiber

激光在噴嘴出射的水束與空氣界面形成全反射，根據(jù)斯奈爾折射定律，由圖4a中幾何關(guān)系可以得到子午光線在水束中發(fā)生全反射時(shí)的臨界角θw與光線進(jìn)入水束時(shí)的最大入射角θa：

(2)

(3)

(4)

式中，na和nw分別為激光在空氣與水中的折射率，φw是水束中子午光線發(fā)生全反射時(shí)臨界角的余角，也即子午光線與法線的夾角。

斜光線與光纖中心軸不相交，由圖4b中幾何關(guān)系得斜光線在水束中發(fā)生全反射時(shí)的臨界角θw′與斜光線進(jìn)入水束時(shí)的最大入射角θa′：

(5)

(6)

(7)

式中，γw′是水束中斜光線在橫截面處的投影與法線的夾角。

2 激光聚焦與水-光耦合仿真分析

基于工業(yè)適用性考慮，現(xiàn)有的激光器發(fā)出的激光束一般都是高斯光束，仿真中聚焦前初始出射光束設(shè)置為高斯光束模式，初始光束截面具有高斯函數(shù)曲線分布特性。激光波長(zhǎng)1064nm，初始光束束腰直徑6mm，激光功率1W，實(shí)驗(yàn)中采用直徑0.30mm噴嘴孔，根據(jù)水束的收縮效應(yīng)計(jì)算，實(shí)際水束直徑約為0.25mm，所以仿真中也采用0.25mm直徑的理想圓柱體水束。與傳統(tǒng)的激光加工聚焦方式相同，將高斯光束通過(guò)凸透鏡(焦距100mm)聚焦，光線追跡圖如圖5a所示，觀察在焦點(diǎn)w1處以及焦點(diǎn)后束寬與水束半徑相同,即w2=0.125mm位置處的截面光線分布情況,如圖5b所示，聚焦后光束束腰直徑需小于水束直徑。通過(guò)對(duì)經(jīng)凸透鏡聚焦后光束特性及與水-光耦合后水束中的光束特性仿真分析，探究激光與水束耦合后不同水束長(zhǎng)度段的激光傳輸形態(tài)分布。

Fig.5 Simulation of Gaussian beam focusing

將高斯光束通過(guò)凸透鏡聚焦后與水束進(jìn)行耦合，令高斯光束聚焦后的焦點(diǎn)與圓柱形水束初始面中心重合(見(jiàn)圖1)。如圖6所示，lz為水束長(zhǎng)度，選取水束初始面，即lz=0mm時(shí)為第1個(gè)觀測(cè)面。通過(guò)對(duì)圖5中激光聚焦觀察分析，水束長(zhǎng)度lz至少需要大于3.573mm時(shí)，激光在水束中才會(huì)發(fā)生全反射，另有通過(guò)對(duì)水束穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出在0MPa，1MPa，2MPa處水束穩(wěn)定長(zhǎng)度均大于60mm，因此選取水束長(zhǎng)度lz分別為20mm，30mm，40mm和50mm時(shí)，水束后10mm處為觀測(cè)面，分別對(duì)這5個(gè)面處的激光功率密度分布情況進(jìn)行分析。

Fig.6 Simulation of focusing laser and water-jet coupling

通過(guò)觀察圖6b中激光與水束耦合后5個(gè)面處不同水束長(zhǎng)度下激光功率密度分布情況，可以看出,當(dāng)激光與水束耦合后，在水束長(zhǎng)度為零時(shí)，激光尚未在水束中發(fā)生全反射，激光功率密度分布與聚焦圖中焦點(diǎn)位置截面幾乎一致；不考慮水束對(duì)激光的吸收、散射等衰減作用，在水束長(zhǎng)度lz分別為20mm,30mm,40mm和50mm時(shí)，激光功率密度峰值分布與理論值存在一定差異，并未呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，存在一定的波動(dòng)，這是由于在不同水束長(zhǎng)度下，激光在水束中的全反射次數(shù)與光路長(zhǎng)度各不相同，這也導(dǎo)致了激光功率密度分布形狀、截面曲線等存在些許差異。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 激光功率測(cè)定

激光在水束中傳輸時(shí)，由于水對(duì)激光的吸收、散射等作用存在，激光能量隨著水束長(zhǎng)度的變化而存在一定的衰減。當(dāng)激光傳輸距離較短時(shí)，激光在水中的衰減規(guī)律符合比爾-朗伯定律(Beer-Lambert law)：

P=P0exp(-βL)

(8)

式中，P0和P分別是傳輸距離為0和L時(shí)的激光功率(W)；β是包括吸收和散射在內(nèi)的衰減系數(shù)(m-1)。

由(8)式可知，激光在水束中的傳輸效率與衰減系數(shù)和傳輸距離有關(guān)，通過(guò)對(duì)比不同水束長(zhǎng)度下激光功率變化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)如圖7所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及圖8所示檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，搭建后的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體實(shí)物圖如圖9所示。利用CCD工業(yè)相機(jī)輔助激光與水束耦合對(duì)準(zhǔn)后，在水束下方放置一擋水板，在水束中耦合傳輸后的激光束穿過(guò)擋水板到達(dá)下方的激光接收靶面上，利用XYZ移動(dòng)平臺(tái)將激光與接收靶面中心對(duì)準(zhǔn)，并通過(guò)z軸調(diào)整水束長(zhǎng)度，檢測(cè)水束下方激光功率。激光功率檢測(cè)時(shí)不添加衰減片。

Fig.7 Schematic diagram of the whole structure of the water-jet guided laser system

Fig.8 Schematic diagram of laser power and density distribution detection in water beam

Fig.9 Overall physical picture of the experimental system

實(shí)驗(yàn)中采用的是分離式鏡片安裝，環(huán)境中灰塵顆粒與鏡片安裝調(diào)整等存在誤差，導(dǎo)致激光與水束耦合對(duì)準(zhǔn)前激光功率與激光器顯示功率存在一定差異，這里分別對(duì)激光器出射激光功率、激光經(jīng)鏡片傳輸后聚焦鏡下方、耦合對(duì)準(zhǔn)后水束中的激光功率進(jìn)行多次測(cè)量取平均值，分析對(duì)比凸透鏡聚焦后的激光束在不同水束長(zhǎng)度下傳輸效率。

水束中激光功率與水束傳輸激光的長(zhǎng)度有關(guān)，隨著水束傳輸長(zhǎng)度的增大，激光功率逐漸減?。淮送?，在激光傳輸過(guò)程中環(huán)境、鏡片、保護(hù)玻璃以及用來(lái)做擋水板的亞克力玻璃等都會(huì)對(duì)激光存在一定的衰減作用。如圖9所示搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用珠海市粵茂激光型號(hào)為YMS-20F光纖激光劃片機(jī)、北京研邦科技有限公司的VLP-2000-50W型號(hào)功率計(jì)，通過(guò)調(diào)整下方XYZ移動(dòng)平臺(tái)中z軸來(lái)檢測(cè)不同水束長(zhǎng)度下激光功率。利用4mm厚亞克力玻璃進(jìn)行1064nm激光衰減效率實(shí)驗(yàn)，得出亞克力玻璃的透過(guò)率Ta=92%，而藍(lán)寶石玻璃保護(hù)窗口對(duì)1064nm激光透過(guò)率為Ts=86%。從表1也可以看出，從激光器出射的激光在鏡片間傳輸過(guò)程中存在一定損耗，實(shí)際到達(dá)耦合對(duì)準(zhǔn)前的激光功率P1只有激光器出射激光功率P0的91.4%，Pz為激光與水束耦合后不同水束長(zhǎng)度段的激光功率。通過(guò)對(duì)激光在與水束耦合前后功率計(jì)算，可得在水束長(zhǎng)度lz分別為20mm，30mm，40mm和50mm時(shí)，激光在耦合前后的功率傳輸效率ηz=Pz/(P1Ta)，分別為63.6%，55.9%，48.2%，39.5%。通過(guò)對(duì)比不同水束長(zhǎng)度下的激光功率傳輸效率，可以看出水束長(zhǎng)度越短，激光傳輸效率越高，因此為提高耦合效率，在實(shí)際加工時(shí)避免激光能量損失過(guò)大，在水束穩(wěn)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，加工工件表面與耦合裝置下方相距應(yīng)不宜太長(zhǎng)。

Table 1 Laser power before and after laser coupling with water-jet

3.2 水束中激光功率密度分布

針對(duì)第2節(jié)中對(duì)不同段水束長(zhǎng)度時(shí)的激光功率密度分布仿真分析，采用圖8所示的激光功率密度分布檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用德國(guó)Cinogy公司的CinCam CMOS 1024相機(jī)型號(hào)的光束分析儀，考慮光束分析儀探測(cè)面的損傷閾值，在擋水板下方放置光密度值為1.0的衰減片，衰減片只影響不同激光功率下的激光強(qiáng)度，不改變水束中激光功率密度分布情況。測(cè)定了不同功率(0.2W，0.5W，1.0W)、不同壓力(0MPa，1MPa，2MPa)以及不同水束長(zhǎng)度(20mm，30mm，40mm，50mm)下的激光功率密度分布情況。

圖10是不同功率下水束中激光散斑分布情況。通過(guò)對(duì)比激光功率0.2W，0.5W，1.0W時(shí)的水束長(zhǎng)度20mm處的激光功率密度分布情況，可以看出，隨著激光功率的增大，激光光斑分布區(qū)域也逐漸增大，輸入激光功率的增大必然會(huì)導(dǎo)致水束中輸出激光功率的增大，衰減片對(duì)激光邊緣能量的衰減作用也會(huì)相應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致激光光斑整體形狀尺寸逐漸變大。對(duì)于圖11中不同壓力條件下，激光散斑的尺寸大小、亮度以及分布情況都存在一定的變化，特別是散斑從0MPa時(shí)的相對(duì)集中分布到2MPa時(shí)的散斑分布更均勻化。當(dāng)水壓變化時(shí)，一定范圍內(nèi)水速的增加有利于水束的穩(wěn)定，從而激光在水束中全反射效率也更高，激光的傳輸也更為穩(wěn)定。在激光功率0.5W，壓力1MPa條件下，如圖12所示，隨著水束耦合傳輸長(zhǎng)度的增大，水束中激光散斑的尺寸大小、亮度逐漸變小、變暗，這一部分原因是由于激光在水束中全反射的次數(shù)的差異，更大一部分原因是水束對(duì)激光的衰減作用，從第3.1節(jié)也可以看出，隨著水束傳輸長(zhǎng)度的增大，激光功率逐漸減小。由于激光傳輸聚焦過(guò)程中的環(huán)境潔凈度、鏡片調(diào)整以及水束脈動(dòng)等導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在些許偏差，但變化趨勢(shì)是符合仿真分析結(jié)果的。

Fig.10 Distribution diagram of laser power density in water-jet with diffe-rent power when water pressure is 1MPa and coupling transmission length is 20mm

Fig.11 Distribution diagram of laser power density in water-jet with diffe-rent power when laser power is 0.5W and coupling transmission length is 40mm

Fig.12 Distribution diagram of laser power density in water-jet with diffe-rent power when laser power is 0.5W and water pressure is 1MPa

通過(guò)對(duì)圖12中激光功率0.5W、水壓1MPa和水束傳輸長(zhǎng)度20mm時(shí)激光功率密度分布情況進(jìn)行截面分析，取x軸截面,如圖13所示?？梢钥闯觯す庠谒袀鬏敽笕跃哂幸欢ǖ母咚狗植继匦?。

Fig.13 x-axis cross section relative light intensity distribution of laser spot in water beam

4 結(jié) 論

本文中仿真分析了激光與水束耦合后不同水束長(zhǎng)度下的激光功率密度分布，并利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行激光耦合水束后的激光功率與功率密度驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，隨著水束耦合傳輸長(zhǎng)度的減小，激光與水束耦合前后的功率傳輸效率越高，在水束長(zhǎng)度為20mm時(shí)，激光功率傳輸效率可達(dá)63.6%；輸入激光功率的增大必然會(huì)導(dǎo)致水束中輸出激光功率的增大，衰減片對(duì)激光邊緣能量的衰減作用也會(huì)相應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致激光光斑整體形狀尺寸逐漸變大；在水束穩(wěn)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，水壓的增大有利于激光在水束中的傳輸；而由于水對(duì)激光的衰減作用，隨著水束長(zhǎng)度的增大，水束截面中激光散斑的尺寸大小和亮度逐漸變小、變暗。因此，為增強(qiáng)水導(dǎo)激光加工質(zhì)量，提高激光能量利用率，在確保水束穩(wěn)定長(zhǎng)度的情況下，激光功率一定時(shí)，可以適當(dāng)提高水射流速度(水的壓力)，此外，加工工件表面與耦合裝置下方相距應(yīng)不宜太長(zhǎng)，以確保水束的相干性及穩(wěn)定性，獲得更均勻的激光光強(qiáng)密度分布形態(tài)。