水導激光技術中水-光耦合傳能規(guī)律研究

張光輝，黃宇星，黃 平，周 遼，焦 輝，龍芋宏

(桂林電子科技大學 機電工程學院，桂林 541004)

引 言

水導激光加工技術是將傳統(tǒng)的激光加工技術與水射流加工技術相結(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，利用水射流對激光進行引導，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，水導激光加工技術既能達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)以及去除加工過程中殘渣等優(yōu)點，有效地提高了加工的質(zhì)量[2]。從初始時COLLADON等人發(fā)現(xiàn)并描述的“導光噴泉”現(xiàn)象[3-4]，到RICHERZHAGEN[5-6]對水射流導光現(xiàn)象進行深入研究，驗證了水射流引導激光的可行性。水導激光加工技術以其獨有的加工優(yōu)勢，在微細加工技術領域得到了快速的發(fā)展，被廣泛應用在航空航天、生物醫(yī)療、微電子等行業(yè)[7-8]。

水-光耦合傳能規(guī)律是水導激光加工質(zhì)量和效率的關鍵。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]分析得出水導激光中水束的流場波動會導致水束光纖截面光強發(fā)生變化。COUTY等人[11]將高斯激光與水束進行耦合，研究不同數(shù)值孔徑、不同噴嘴直徑、入射激光焦點位置對水束中激光光斑分布形態(tài)的影響，得出通過增加激光數(shù)值孔徑以及采取適當?shù)钠蝰詈?，有助于提高水束中激光傳輸截面的光強分布均勻。COUTY等人[12]還研究了在不同的耦合和射流速度條件下，高功率激光誘導產(chǎn)生的水射流破裂現(xiàn)象。LI[13]通過對激光與水束耦合對準過程中的各種偏差進行仿真分析，并對水束中輸出功率密度分布和輸出能量進行實驗測量分析。ZHANG等人[14]研究發(fā)現(xiàn),海洋湍流參量對非均勻偏振光束在海水中的傳輸特性占主導影響。DENG等人[15]模擬了激光與水束的耦合效應，探究了不同數(shù)值孔徑、不同水束直徑及速度下傳輸過程中的溫度分布。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?，實驗驗證耦合后的水束中激光能量密度分布呈現(xiàn)高斯分布。

上述文獻中主要通過對水-光耦合過程中激光束的質(zhì)量、水束的穩(wěn)定狀態(tài)和激光與水束耦合對準時的相對位置關系等因素對水束光纖中激光能量的影響進行研究，而對影響水束中激光功率密度分布的激光功率、水束長度、水壓等因素目前還缺少系統(tǒng)的研究。本文中通過對傳統(tǒng)凸透鏡聚焦模式下獲得的激光束進行分析，并將聚焦后的激光束與水束耦合，通過對激光與水束的耦合對準仿真分析與實驗驗證，對激光在不同水束長度段的傳輸效率進行研究，并進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度下的激光功率密度分布，深入分析水導激光中水-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

水導激光技術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行耦合對準，如圖1所示。

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

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

2w

(1)

式中，w為激光焦點半徑，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[17]，實際水束直徑小于噴嘴孔直徑。對噴嘴處進行流場仿真分析(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——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)與參考文獻中接近[18-19]，下文中收縮系數(shù)α默認為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對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中幾何關系可以得到子午光線在水束中發(fā)生全反射時的臨界角θw與光線進入水束時的最大入射角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中幾何關系得斜光線在水束中發(fā)生全反射時的臨界角θw′與斜光線進入水束時的最大入射角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1064nm，初始光束束腰直徑6mm，激光功率1W，實驗中采用直徑0.30mm噴嘴孔，根據(jù)水束的收縮效應計算，實際水束直徑約為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，將高斯光束通過凸透鏡(焦距100mm)聚焦，光線追跡圖如圖5a所示，觀察在焦點w1處以及焦點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。通過對經(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

將高斯光束通過凸透鏡聚焦后與水束進行耦合，令高斯光束聚焦后的焦點與圓柱形水束初始面中心重合(見圖1)。如圖6所示，lz為水束長度，選取水束初始面，即lz=0mm時為第1個觀測面。通過對圖5中激光聚焦觀察分析，水束長度lz至少需要大于3.573mm時，激光在水束中才會發(fā)生全反射，另有通過對水束穩(wěn)定性進行實驗，得出在0MPa，1MPa，2MPa處水束穩(wěn)定長度均大于60mm，因此選取水束長度lz分別為20mm，30mm，40mm和50mm時，水束后10mm處為觀測面，分別對這5個面處的激光功率密度分布情況進行分析。

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

通過觀察圖6b中激光與水束耦合后5個面處不同水束長度下激光功率密度分布情況，可以看出,當激光與水束耦合后，在水束長度為零時，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位置截面幾乎一致；不考慮水束對激光的吸收、散射等衰減作用，在水束長度lz分別為20mm,30mm,40mm和50mm時，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，存在一定的波動，這是由于在不同水束長度下，激光在水束中的全反射次數(shù)與光路長度各不相同，這也導致了激光功率密度分布形狀、截面曲線等存在些許差異。

3 實驗分析

3.1 激光功率測定

激光在水束中傳輸時，由于水對激光的吸收、散射等作用存在，激光能量隨著水束長度的變化而存在一定的衰減。當激光傳輸距離較短時，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，通過對比不同水束長度下激光功率變化設計實驗。

設計如圖7所示實驗系統(tǒng)以及圖8所示檢測系統(tǒng)示意圖，搭建后的實驗系統(tǒng)整體實物圖如圖9所示。利用CCD工業(yè)相機輔助激光與水束耦合對準后，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擋水板到達下方的激光接收靶面上，利用XYZ移動平臺將激光與接收靶面中心對準，并通過z軸調(diào)整水束長度，檢測水束下方激光功率。激光功率檢測時不添加衰減片。

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

實驗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，導致激光與水束耦合對準前激光功率與激光器顯示功率存在一定差異，這里分別對激光器出射激光功率、激光經(jīng)鏡片傳輸后聚焦鏡下方、耦合對準后水束中的激光功率進行多次測量取平均值，分析對比凸透鏡聚焦后的激光束在不同水束長度下傳輸效率。

水束中激光功率與水束傳輸激光的長度有關，隨著水束傳輸長度的增大，激光功率逐漸減??；此外，在激光傳輸過程中環(huán)境、鏡片、保護玻璃以及用來做擋水板的亞克力玻璃等都會對激光存在一定的衰減作用。如圖9所示搭建實驗平臺，采用珠海市粵茂激光型號為YMS-20F光纖激光劃片機、北京研邦科技有限公司的VLP-2000-50W型號功率計，通過調(diào)整下方XYZ移動平臺中z軸來檢測不同水束長度下激光功率。利用4mm厚亞克力玻璃進行1064nm激光衰減效率實驗，得出亞克力玻璃的透過率Ta=92%，而藍寶石玻璃保護窗口對1064nm激光透過率為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程中存在一定損耗，實際到達耦合對準前的激光功率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度段的激光功率。通過對激光在與水束耦合前后功率計算，可得在水束長度lz分別為20mm，30mm，40mm和50mm時，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%。通過對比不同水束長度下的激光功率傳輸效率，可以看出水束長度越短，激光傳輸效率越高，因此為提高耦合效率，在實際加工時避免激光能量損失過大，在水束穩(wěn)定長度范圍內(nèi)，加工工件表面與耦合裝置下方相距應不宜太長。

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

針對第2節(jié)中對不同段水束長度時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系統(tǒng)結(jié)構，采用德國Cinogy公司的CinCam CMOS 1024相機型號的光束分析儀，考慮光束分析儀探測面的損傷閾值，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度，不改變水束中激光功率密度分布情況。測定了不同功率(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。通過對比激光功率0.2W，0.5W，1.0W時的水束長度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導致水束中輸出激光功率的增大，衰減片對激光邊緣能量的衰減作用也會相應減弱，從而導致激光光斑整體形狀尺寸逐漸變大。對于圖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時的相對集中分布到2MPa時的散斑分布更均勻化。當水壓變化時，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，隨著水束傳輸長度的增大，激光功率逐漸減小。由于激光傳輸聚焦過程中的環(huán)境潔凈度、鏡片調(diào)整以及水束脈動等導致檢測結(jié)果存在些許偏差，但變化趨勢是符合仿真分析結(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

通過對圖12中激光功率0.5W、水壓1MPa和水束傳輸長度20mm時激光功率密度分布情況進行截面分析，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度下的激光功率密度分布，并利用實驗進行激光耦合水束后的激光功率與功率密度驗證。研究結(jié)果表明，隨著水束耦合傳輸長度的減小，激光與水束耦合前后的功率傳輸效率越高，在水束長度為20mm時，激光功率傳輸效率可達63.6%；輸入激光功率的增大必然會導致水束中輸出激光功率的增大，衰減片對激光邊緣能量的衰減作用也會相應減弱，從而導致激光光斑整體形狀尺寸逐漸變大；在水束穩(wěn)定長度范圍內(nèi)，水壓的增大有利于激光在水束中的傳輸；而由于水對激光的衰減作用，隨著水束長度的增大，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，為增強水導激光加工質(zhì)量，提高激光能量利用率，在確保水束穩(wěn)定長度的情況下，激光功率一定時，可以適當提高水射流速度(水的壓力)，此外，加工工件表面與耦合裝置下方相距應不宜太長，以確保水束的相干性及穩(wěn)定性，獲得更均勻的激光光強密度分布形態(tài)。