一种激光诱导双空泡的方法及装置与流程

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种激光诱导双空泡的方法及装置。

背景技术：

激光诱导空泡加工技术是利用空泡脉动和溃灭产生的冲击波作用于工件表面，与空气中激光加工技术相比较，具有材料氧化程度低，热效应影响小等特点。目前激光诱导空泡技术主要包含激光诱导液体介质产生空泡进行加工和激光聚焦液体介质中的待加工材料表面进行加工。前者具有可控性好、位置定位精确及冲击压强高等优势；后者通过液体介质约束表面等离子扩展，具有加工效果好，效率高等优势。

由于激光与液体介质相互作用的复杂性，很难透彻研究激光诱导空泡技术。如果能综合利用两种激光诱导空泡技术，产生双空泡，可叠加双空泡诱导的冲击波，加工效果倍增。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种激光诱导双空泡的方法及装置。当激光束辐射于液体介质，在激光聚焦处及待加工材料表面同时产生空泡，因此液体介质中的空泡诱导强冲击波和待加工材料表面空泡诱导产生的强冲击波两者叠加，反复或同时作用于待加工材料表面，改善材料表面强度等特性，具有冲击压强高、材料氧化程度低等优势，因此基于一种激光诱导双空泡的装置和方法具有广泛的应用前景。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种激光诱导双空泡的方法，其特征在于：待加工材料浸泡固定于液体介质中，激光垂直作用于液体介质和待加工材料表面，且满足：

J＝J₀+J₁+K·H+Q且H>R₀+R₁

在激光聚焦点和待加工材料表面产生双空泡；

其中：J为激光能量，J₀是液体介质的击穿阈值，J₁为待加工材料表面的击穿阈值，K为激光在液体介质中单位长度损耗系数，Q为激光能量富余度，H为激光聚焦点至待加工材料表面的距离，R₀为激光能量为J₀的激光作用于液体介质中产生的空泡半径，R₁为激光能量为J₁的激光作用于待加工材料表面产生的空泡的半径。

优选的，所述Q取值为0-200mJ/cm²。

优选的，所述待加工材料为铝、铜、铁、锌或钛合金中的一种。

优选的，所述液体介质是水、硅油或电解质溶液中的一种。

一种激光诱导双空泡的装置,包括激光器控制面板、激光器、反射镜、激光扩束系统，所述激光扩束系统包括激光扩束器和聚焦透镜，其特征在于：所述激光器控制面板与激光器相连接，控制激光器激光的输出；所述激光器发出的光束经过反射镜反射至激光扩束器上；所述聚焦透镜将激光扩束器的输出光束聚焦于待加工材料表面上方距离为H处；所述待加工材料浸泡固定于盛放液体介质的容器中；通过激光器控制面板设置激光能量参数为：

J＝J₀+J₁+K·H+Q，调节所述容器位置满足H>R₀+R₁；

其中：J为激光能量参数，J₀是液体介质的击穿阈值，J₁为待加工材料表面的击穿阈值，K为激光在液体介质中单位长度损耗系数，Q为激光能量富余度，H为激光聚焦点至待加工材料表面的距离，R₀为激光能量为J₀的激光作用于液体介质中产生的空泡半径，R₁为激光能量为J₁的激光作用于待加工材料表面产生的空泡的半径。

优选的，该装置还包括计算机，所述计算机与所述激光器控制面板连接。

优选的，该装置还包括三维移动平台和三维移动平台控制面板，所述容器至于三维移动平台上，所述三维移动平台控制面板分别与所述计算机和所述三维移动平台连接。

优选的，该装置还包括扩束聚焦系统控制面板，所述扩束聚焦系统控制面板分别与所述计算机和所述激光扩束系统。

优选的，所述待加工材料为钛合金，所述液体介质为水介质，其中J＝150mJ，H＝10mm。

由于加工作业在液体介质中进行，一种激光诱导双空泡的方法及装置具有以下有益效果：

1.复合加工效果好：液体介质中的双空泡在膨胀和压缩过程中，产生的强冲击波两者叠加，反复或同时作用于待加工材料表面，实现材料的复合加工。由于产生的是双空泡，冲击波强度强，作用力度大，对待加工材料表面的形貌改性等具有积极作用。

2.H值的调节—可产生较为明显的双空泡：双空泡的产生为待加工材料的复合加工提供了条件。通过调节取得适宜的H值，会产生较为明显的双空泡，冲击波强度更强，对于一些硬度高的待加工材料，仍具有良好加工效果。

3.降低材料氧化程度：由于加工作业在液体介质中进行，氧气含量低，加工过程中，出现大面积待加工材料氧化几率小，降低材料的氧化程度。

4.热效应小。液体介质的导热效果好，激光与材料作用产生的热量很快被导出，待加工材料表面热量迅速减小。

附图说明

图1为本发明所述一种激光诱导双空泡装置图；

图2(a)和图2(b)为现有激光诱导单空泡方式示意图；

图3为液体介质中双空泡产生方式示意图；

图4为激光聚焦点空泡冲击波探测图；

图5为待加工材料表面空泡冲击波探测图；

图6为液体介质中双空泡探测脉动序列图；

图7为液体介质中单空泡探测脉动序列图；

图8为液体介质中待加工材料表面单空泡探测脉动序列图。

图中：1-计算机；2-激光器控制面板；3-激光器；4-反射镜；5-扩束聚焦系统；51-激光扩束器；52-聚焦透镜；6-玻璃容器；7-液体介质；8-待加工材料；9-三维移动平台；10-三维移动平台控制面板；11-扩束聚焦系统控制面板；12-待加工材料表面空泡；13-激光聚焦点空泡。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

以下将结合实施例对本发明技术方案做进一步详述。

如图1所示为本发明所述一种激光诱导双空泡的装置图，包括计算机1、激光器控制面板2、激光器3、反射镜4、扩束聚焦系统5、激光扩束器51、聚焦透镜52、玻璃容器6、液体介质7、待加工材料8、三维移动平台9、三维移动平台控制面板10和扩束聚焦系统控制面板11。所述计算机1连接激光器控制面板2、三维移动平台控制面板10和扩束聚焦系统控制面板11，直接对激光器控制面板2、三维移动平台控制面板10和扩束聚焦系统控制面板11的调控，间接控制激光器3的激光输出、三维移动平台9三维方向的移动和扩束聚焦系统5的光束扩束与聚焦。所述激光器控制面板2分别与计算机1和激光器3相连接，控制激光器3激光的输出。所述激光器3位于光路的最左端，激光器3发出的光束经过反射镜4反射至扩束聚焦系统5上。所述扩束聚焦系统5包含激光扩束器51和聚焦透镜52，反射光束先后经过激光扩束器51与聚焦透镜52，辐射于液体介质7中，此时光束的光斑尺寸变大，利于产生球形空泡。所述玻璃容器6盛满液体介质7，置于三维移动平台9上固定。所述待加工材料8置于玻璃容器6内固定。所述三维移动平台9与三维移动平台控制面板10相连，实现玻璃容器6三维方向的移动。所述三维移动平台控制面板10分别与计算机1和三维移动平台9相连，用于控制三维移动平台9的三维移动。所述扩束聚焦系统控制面板11分别与计算机1和扩束聚焦系统5相连，用于控制空泡的形状。

本发明所述一种激光诱导双空泡的方法，是将玻璃容器6置于三维移动平台9上固定，待加工材料8放入玻璃容器6内固定，注入液体介质7至玻璃容器6内，激光经过扩束聚焦系统5后穿过液体介质7至待加工材料8表面时，经由上述步骤选取的适宜的H值和激光参数J，在待加工材料8表面上方H处与待加工材料8表面区域会同时产生空泡，即激光诱导双空泡，然后液体介质7中的空泡诱导强冲击波和待加工材料8表面空泡诱导产生的强冲击波两者叠加，反复或同时作用于待加工材料8表面，实现待加工材料表面的加工。

激光诱导双空泡产生的冲击波远强于单空泡。如图2所示为现有激光诱导单空泡方式示意图，共有两种，一是如图2(a)所示的待加工材料8水平置于玻璃容器6内，二是如图2(b)所示的待加工材料8竖直置于玻璃容器6内，紧密贴合于玻璃容器6的左壁上。这两种方式均可产生单空泡，利用单空泡脉动和溃灭产生的强冲击波，实现待加工材料表面的激光加工。

如图3所示为液体介质中双空泡示意图。当选取合适的激光能量密度，液体介质7在焦点处被击穿，产生待加工材料表面空泡12和激光聚焦点空泡13，两空泡产生的强冲击波叠加，反复或同时作用于待加工材料8表面，具有冲击压强高、材料氧化程度低等特点。

如图4和图5所示，分别为激光聚焦点空泡冲击波探测图和与待加工材料表面空泡冲击波探测图。由于高频探测光束的视场局限性，只能分别探测两个位置的冲击波，直接反映出激光诱导双空泡的冲击波能够产生高强作用力，实现激光诱导双空泡的冲击加工。

本发明所述一种双空泡激光加工方法，具体包括如下步骤：

1)摆放设备：按照装置图摆放、连接设备，并将玻璃容器6置于三维移动平台9上后固定；

2)固定待加工材料：将待加工材料8放入玻璃容器6内固定。

3)调节H值：H值是指激光聚焦点至待加工材料作用表面的距离。通过调节三维移动平台9实现不同的H取值。注意H值稍微取大些，应满足H>R₀+R₁，R₀为激光能量为J₀的激光作用于液体介质中产生的空泡半径，R₁为激光能量为J₁的激光作用于待加工材料表面产生的空泡的半径；

4)注入液体介质：使用量杯缓慢注入液体介质7至玻璃容器6内，避免液体内部空泡产生，液面位于玻璃容器6最上端；

5)设置激光参数：设置激光能量参数J，使J＝J₀+J₁+K·H+Q，J₀是液体介质7的激光击穿阈值，J₁为待加工材料表面的激光击穿阈值，K为激光在液体介质7中单位长度损耗系数，Q为激光能量富余度，通过有限次实验获得，一般取值为0-200mJ/cm²；

6)产生双空泡：根据上述设置的参数值，打开激光器，输入参数值。激光束聚焦液体介质7后，辐射于待加工材料表面，同时产生双空泡。双空泡产生的强冲击波叠加同时或反复作用于待加工材料表面。

实施例1

实施加工的激光器，λ＝1064nm，脉宽为10ns，激光重复频率为1Hz。

选取钛合金作为待加工材料，液体介质为水介质。

将玻璃容器置于三维移动平台上并固定。将待加工材料水平放置于玻璃容器内并固定。通过三维移动平台调节H值，取H＝10mm为产生双空泡的实验经验值。使用量杯缓慢注入液体介质至玻璃容器内，避免液体内部空泡产生，液面位于玻璃容器最上端，使水介质充满整个玻璃容器。

调节扩束聚焦系统，实验测得水介质的击穿阈值J₀＝68mJ，钛合金的激光击穿阈值为55mJ，查资料可知1064nm的红外激光衰减系数为0.8-0.9/m，因此在水中的传输损耗为8-9mJ，实验测得的常用富余度值为18mJ，根据J＝J₀+J₁+K·H+Q，设置激光能量J＝150mJ。

根据上述设置的参数值，打开激光器，输入参数值。采用高速摄像机Phantom v2511探测空泡脉动序列图，如图6为液体介质中双空泡探测脉动序列图，由于在激光聚焦点和待加工材料表面同时击穿，在击穿的区域产生发出白光的等离子体，同时等离子体对外高速膨胀，持续压缩附近液体介质7，产生冲击波和双空泡现象。初始的空泡泡内压强高于周围的液体介质7，在压强差作用下空泡向外扩张变大。当空泡半径达到最大时，受外界压力和表面张力约束下，空泡开始被压缩。当压缩至最小时，泡内压强大于周围液体介质7的静压，空泡开始反弹，如此往复。往复次数越多，损耗越大，直至空泡溃灭。

实施例2

取激光能量值为80mJ，稍大于激光击穿水介质的阈值，考虑激光在器件和液体介质中传输的损耗，其他参数设置和装置同实施例完全相同，探测出液体介质中单空泡脉动序列图如图7。此时激光能量仅能够击穿液体介质，当激光束传输至待加工材料表面时，考虑到液体介质7的吸收作用以及待加工材料表面的击穿阈值，待加工材料表面处未能够产生空泡，故形成单空泡。

实施例3

通过三维移动平台调节H值，取H＝0mm。激光能量设置为60mJ，其他参数与实施例1相同。探测出待加工材料表面处单空泡脉动序列如图8。此时激光聚焦点在待加工材料表面，能量大且超过待加工材料表面的击穿阈值，其它各点能量较小且不足以击穿液体介质，所以仅在待加工材料表面形成空泡。因为待加工材料表面的阻挡作用，形成的空泡为半圆形而不是圆形。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。