CN1764513A - 用于在流体喷射装置的构件中打孔的激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在将流体例如燃料喷射到内燃机的装置的构件中打孔的激光加工装置。激光谐振器(4)由通过激光二级管被光学泵浦的固态活性介质形成。该谐振器用于提供微秒级的初级脉冲。此外，在谐振器和加工头(24)之间设置有调制装置(8)，以用于对由谐振器提供的初级脉冲进行调幅，从而产生对应于各所述脉冲的宽度较小的二级脉冲序列。

Description

用于在流体喷射装置的构件中打孔的激光装置

技术领域

本发明涉及一种用于在特别是将燃料喷射到内燃机的流体喷射装置的构件中打孔的激光加工装置。“内燃机”是指其中燃料通过喷射装置直接或间接地供应到至少一个燃烧室的任何类型的发动机或反应器。“喷射装置构件”特别是指喷嘴、流量控制器或甚至过滤器。

背景技术

目前，已知各种特别是使用特定激光装置的用于在上述构件中打孔的方法。例如，已提出使用设有用于谐振器的Q开关装置的二极管泵浦固态激光器(DPSSL)。这种激光器产生许多持续时间非常短的脉冲，所述时间通常远小于1μs，例如15纳秒。

各个公司都已制造出了上述类型的激光装置。与闪光灯泵浦晶体激光器例如Nd:YAG激光器相比，使用这种二极管泵浦晶体激光器具有许多优点。确实，使用这种闪光灯会产生从一种脉冲到另一种脉冲的变化，特别是所提供的脉冲的强度的波动以及脉冲前沿宽度的变化。此外，尤其是因为活性元素(active element)由具有较宽透射光谱的闪光灯加热，所以谐振器的稳定性不是非常好。由于一部分能量不用于产生激光束，因此这种激光器达不到最佳生产率。这还意味着活性介质易受到热应力，这降低了脉冲传输的稳定性和质量。这一点的主要缺点是待加工的孔的精度受到限制，从而孔与孔之间不可能有好的重复性。因此，由闪光灯泵浦激光器加工出的孔的几何形状的加工公差较差，从而不能精确地确定通过这种孔的流体的流量。

然而，使用设有Q开关以产生纳秒级的很窄的脉冲序列的激光装置来加工孔则会产生孔的加工效率问题。确实，加工孔特别是有一定深度的孔需要大量的这种连续脉冲，这限制了这种孔的加工速度，从而限制了这种加工的工业生产率。此外，这种类型的激光装置比较不灵活，因为它不能使谐振器所产生的脉冲分布变化以便获得具有适合加工各种不同类型的孔的强度分布的脉冲。因此，由于不能对限定由谐振器产生的非常窄的脉冲的参数进行灵活调整，所以难以改变加工的孔的几何形状。此外，不通过需要沿圆形轮廓打多个孔的加工方法，就不能使用纳秒级的脉冲来加工直径较大的孔。最后，Q开关的频率受到限制，这是因为在短时期内形成有等离子体，如果等离子体仍然存在于孔加工区域上，则其会从后面的脉冲吸收光能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于在特别是用于燃料的流体喷射装置的构件中打孔的激光装置，该装置具有良好的操作稳定性和高的孔加工精度，该装置能够以较高的速度加工所述孔，从而其工业生产率很高。

本发明的另一目的是提供一种这类装置，该装置在保持其效率的同时可以限制必要的投资成本。

因此，本发明涉及一种用于在特别是将燃料喷射到内燃机的流体喷射装置的构件中打孔的激光加工装置，该加工装置包括由第一固态活性介质和第一光学泵浦装置形成的激光谐振器，所述第一光学泵浦装置由激光二极管形成。所述谐振器用于产生微秒级的初级脉冲。该激光加工装置包括调制装置，该调制装置设置在所述谐振器下游，并且对应于进入该调制装置的初级脉冲在输出端产生二级脉冲序列。

由于本发明的激光加工装置的特征，所以能有效并且高精度—即加工公差小地在燃料喷射装置的构件中例如在喷嘴或用于确定流体流量的节流孔中穿孔。该装置可以产生较宽的特别是大于50μs的初级脉冲。已经发现，宽度较窄—例如在1至20μs之间的脉冲的序列可通过激光装置提高打孔的生产率和精度。然而，在由带Q开关的谐振器产生的纳秒级的周期性脉冲下，该效率会降低。事实上，在本发明的范围内已经发现，对于硬质材料来说在纳秒级的加工生产率比在微秒级的低。然而，加工精度要求每个脉冲的能量不能增加太多。由于在不带Q开关的激光谐振器下游设有调制装置，所以根据本发明的装置可产生具有最佳强度分布的该类型的二级脉冲系列，所述激光谐振器产生其能量大于二级脉冲的初级脉冲。因此，该激光装置设置成在调制发光强度的同时在较短时期产生较多的用于快速加工孔的能量，以便精确且清洁地进行打孔。所调制的脉冲的另一优点是其打孔方法相对于由激光脉冲产生的等离子体的动力特性而言最优。可周期性地提供初级脉冲以便以高的工业生产率来加工多个孔。

调制装置由例如波卡尔器(Pockels cell)形成。所述波卡尔器可被精确控制，并且还可根据孔形成在其上的材料以及根据为孔限定的几何参数来使二级脉冲序列的强度分布在该波卡尔器的输出端变化以使打孔效率最优。

应当指出，将产生微秒级特别是数十或数百微秒左右的初级脉冲的二极管泵浦激光谐振器与用于调制所述初级脉冲以便通过形成多种持续时间较短的脉冲来改变能量的时间分布(temporal distribution)的装置相结合，就构成了一种特别有效的解决方案，因为该方案在产生到达加工材料从而影响打孔精度的能量分布的过程中除了具有灵活性外还增加了谐振器生产率高且稳定的优点。由于本发明的特征，该激光加工装置能够以可重复的方式加工孔并且公差较小。因此，根据本发明的装置特别适于在流体喷射装置或系统特别是燃料喷射装置的构件中对节流孔进行打孔。

附图说明

下面将结合作为非限定示例给出的附图对根据本发明的激光加工装置进行更详细的说明，其中：

图1示意性地示出本发明优选实施例的主要元件；

图2示出图1的装置中的谐振器的第一实施例的各个元件；

图3示出激光束通过图1的装置中的调制装置的变化；

图4示出图1的装置中的谐振器的第二实施例；以及

图5示意性地示出图1的装置中的放大装置的具体设置。

具体实施方式

下面将结合图1-3说明本发明的第一实施例。该装置包括提供具有线偏振的激光束6的谐振器4。该激光束6由一连串微秒级的初级脉冲形成。该激光束被提供给用于调制进入的激光束的调制装置8，以改变激光束的强度分布—即改变其功率分布，从而形成比由谐振器4提供的初级脉冲宽度窄的二级脉冲序列。“微秒级的脉冲”是指宽度大于1μs特别是在50μs和1毫秒之间的脉冲。

在本发明的优选变型中，将激光加工装置设置成使得由谐振器4产生的各初级脉冲都可以在所加工的构件上形成孔。这样可在制造喷射装置构件的时获得高的工业生产率，而不会相反地由于特别是由波卡尔器形成的调制装置8而影响加工精度和所形成的孔的质量。此外，该方案还使得由Nd:YAG晶体形成的活性介质型二极管泵浦固态激光器(DPSSL)能够获得非常高的能量效率。然而，如图3所示，该类型的谐振器与设置在下游的调制装置的结合使得能获得宽度较窄的—特别是在1至20μs之间的二级脉冲序列。作为示例，由谐振器提供的初级脉冲10的宽度在50μs至1ms之间。波卡尔器8调制初级脉冲10从而在输出端提供宽度均在1至20μs之间的二级脉冲序列12。应当指出，可以控制波卡尔器而为所选择的应用场合精确地限定最佳功率分布。因此，功率调制并非必须是二元的，而是可以在非零最小值和给定的最大值之间变化。

从调制器8出来的激光束16保持线偏振。然后，该激光束16进入由例如线偏振器和设置在该线偏振器之后的四分之一波片形成的光二极管18。从该光二极管出来的激光束20具有圆偏振。然后，激光束20进入用于将二级脉冲序列12放大的放大器22。通常，该放大器由光学泵浦固态活性介质形成。

有利地，可以控制放大装置以便通过产生在放大装置中的脉冲相对于进入该放大装置的初级脉冲的包络的时滞来在二级脉冲序列的中心改变所述二级脉冲的幅值。因此，放大脉冲的前沿或后沿被用于对二级脉冲进行调幅。

光二极管18主要用于防止放大器22和放大器之后的加工头24对谐振器4的反射。从放大器22出来的激光束26与从加工头24出来的光束28一样仍然被圆偏振。

加工头包括调焦装置，还可在调焦装置前包括扩束器。

应当指出，在图1的装置中设置光二极管提高了该装置的效率，特别是提高了所提供的激光束的品质。此外，光二极管通过防止谐振腔内的扰动或干涉而确保了谐振器的稳定。因此，这确保了初级脉冲之间的良好的重复性，从而确保了加工头24出口处的装置所提供的脉冲序列的良好的重复性。

图2中更详细地示出谐振器4。该谐振器以常规方式包括用于调整谐振腔元件的位置并用于将待加工部分相对于激光束正确定向的定位激光器32。其次，该谐振器以常规方式包括镜34和部分反射镜36。该谐振器还包括用于利用测量装置40测量光束能量的分束器38。该谐振器还包括安全关闭装置42和最后的用于增大所产生的激光束直径的扩束器44。在图2的实施例中，谐振器4还包括线偏振器46和限束器48。该谐振器包括由Nd:YAG晶体固态活性介质形成的腔52。在本发明中，该活性介质由以本领域技术人员公知的方式设置—特别是以二极管条或阵列形式设置的激光二极管进行光学泵浦。

如上所述，本发明的激光加工装置可以获得高品质的光束，其适于在各种构件中特别是流体喷射装置的构件中精确加工孔。这尤其是指这样的光束：该光束为圆形，并具有基本恒定的强度分布，而且可精确调焦以形成直径较小的焦点。该装置还具有非常好的稳定性。该稳定性的特征在于：平均功率波动低、由谐振器产生的初级脉冲的功率变化小、由激光装置提供的二级脉冲序列的功率变化小并且二级脉冲序列的强度分布低。

本发明的装置产生的激光脉冲的能量变化小于1％。这意味着对由多个孔限定的开孔的表面的加工公差小，因此通过所述开孔的流体流量的变化小。

由谐振器产生的微秒级的脉冲具有例如在1Hz至1kHz之间变化的频率。每个这种脉冲的宽度都在例如10微秒(μs)至若干毫秒(ms)之间变化，而调制器输出端的二级脉冲的宽度可以在1至50μs之间变化。利用下文将更具体说明的合适的放大装置，所提供的脉冲峰值功率(peakingcapacity)可以在例如100W至100kW之间。激光束在光学调焦前的直径通常小于50mm。给定要得到的激光束的品质，则可以对其进行精确调焦，并可以非常精确的方式—特别是在公差小于50μm的情况下—调整焦点相对于待加工构件的距离。应当指出，对该距离的精确调整还使得能够根据待加工的孔的纵截面来限定孔的轮廓。

根据本发明的装置能够加工直径在5μm至1mm之间的孔。(本装置的)加工精度较高：即能够以可重复的方式连续加工相同的孔并且公差小。孔的直径的锥度公差可小于5％。孔的圆形轮廓的变形小于直径的5％。一个预定的孔与其它孔的重复性可远小于5％，特别是小于2％。这些非常有利的公差尤其源自对谐振器的使用，该谐振器由二极管泵浦固态激光活性介质形成以产生较宽的初级脉冲，所述初级脉冲然后由调制装置特别是波卡尔器进行调制以形成二级脉冲序列，所述二级脉冲的强度分布可根据打孔动态特性并特别根据孔形成于其上的材料以及所述孔的尺寸来以最佳方式进行调整。

图4示出设置在本发明的激光加工装置内的谐振器的第二实施例。已经提到过的元件在此将不再详细说明。谐振器50与图2的谐振器的主要区别在于：振荡器56由ND:YVO₄晶体形成。该晶体具有直接提供线偏振激光束的特性，从而不必再在谐振器50中集成偏振器。由于集成偏振器46会将所提供的发光强度基本上减少一半，所以对于确定的光学泵浦功率，该晶体会产生其强度比图2的谐振器所提供的强度大很多的激光束。对于带Q开关以提供非常窄的脉冲的谐振器来说，使用这种晶体是公知的，但本领域技术人员还未提出过不集成Q开关的用于提供较宽脉冲的谐振器。由于上述调制装置一般需要对进入的激光束进行线偏振，所以对这种晶体的使用实际上特别适合本发明的装置。应当指出，本领域技术人员可想到具有相同特性的其它晶体。

关于偏振，还应当指出，图1所示装置中各元件的布置使得能够在加工头出口处获得特别适于加工孔的圆偏振激光束。

根据本发明的特定实施例，如图5中示意性地示出的，上述放大装置22由至少两种固态活性介质形成。在图5中，激光脉冲放大装置60由两个腔62和64形成，所述腔62和64分别包括由闪光灯70光学地泵浦的固态介质66和68。

在放大装置中使用闪光灯构成本发明的一个特定实施例，在放大装置22包括单个腔的情况下也是如此。在放大装置中设置闪光灯主要因为这在目前是经济的。事实上，使用激光二极管阵列仍然相当昂贵。在本发明的情况下，已发现在放大装置中使用闪光灯对于激光束的品质和激光加工装置的稳定性相对来说没有有害的影响。事实上，在放大装置中使用闪光灯比激光束在其中产生的谐振器的重要性要小得多。

最后，应当指出，本领域技术人员可以对放大装置进行各种布置，以获得多个用于激光束的放大级。可通过与其它光学元件相关联来设计其中激光束在各腔中至少穿过两次的实施例。此外，应当指出，在如权利要求所述的本发明范围内，放大器的光学状态也可以由激光二极管进行泵浦。

Claims (11)

1.用于在特别是将燃料喷射到内燃机的流体喷射装置的构件中打孔的激光加工装置，所述加工装置包括由第一固态活性介质和第一光学泵浦装置形成的激光谐振器(4，50)，所述第一光学泵浦装置由激光二极管形成，其特征在于：

所述谐振器用于产生宽度在微秒级或大于微秒级的初级脉冲；

该加工装置还包括设置在所述谐振器(4)和加工头(24)之间的调制装置(8)，所述调制装置被控制以对应于进入该调制装置的各初级脉冲(10)在输出端提供二级脉冲序列(12)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括设置在所述谐振器下游的光二极管(18)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于将由所述谐振器提供的脉冲放大的装置。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于将由所述谐振器提供的激光脉冲放大的装置，所述放大装置(22)设置在所述光二极管(18)的下游。

5.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，所述光二极管由线偏振器和设置在所述线偏振器之后的四分之一波片形成。

6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述放大装置被控制以产生相对于所述初级脉冲有时滞的放大脉冲，从而对所述二级脉冲进行调幅。

7.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述放大装置包括由第二固态活性介质和第二光学泵浦装置形成的腔，该第二光学泵浦装置由闪光灯形成。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述放大装置包括多种限定多个放大级的活性介质，所述活性介质均由闪光灯泵浦。

9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述谐振器用于在其输出口提供线偏振的激光束。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一活性介质由从可直接产生线偏振光的晶体中选择的晶体特别是Nd∶YVO₄晶体形成。

11.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于提供微秒级的脉冲，该脉冲的能量使得可通过由所述谐振器产生的单个初级脉冲在给定构件中打孔。

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