專利名稱：用于在流體噴射裝置的構(gòu)件中打孔的激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在特別是將燃料噴射到內(nèi)燃機的流體噴射裝置的構(gòu)件中打孔的激光加工裝置?！皟?nèi)燃機”是指其中燃料通過噴射裝置直接或間接地供應(yīng)到至少一個燃燒室的任何類型的發(fā)動機或反應(yīng)器?！皣娚溲b置構(gòu)件”特別是指噴嘴、流量控制器或甚至過濾器。
背景技術(shù)：
目前，已知各種特別是使用特定激光裝置的用于在上述構(gòu)件中打孔的方法。例如，已提出使用設(shè)有用于諧振器的Q開關(guān)裝置的二極管泵浦固態(tài)激光器(DPSSL)。這種激光器產(chǎn)生許多持續(xù)時間非常短的脈沖，所述時間通常遠小于1μs，例如15納秒。
各個公司都已制造出了上述類型的激光裝置。與閃光燈泵浦晶體激光器例如Nd:YAG激光器相比，使用這種二極管泵浦晶體激光器具有許多優(yōu)點。確實，使用這種閃光燈會產(chǎn)生從一種脈沖到另一種脈沖的變化，特別是所提供的脈沖的強度的波動以及脈沖前沿寬度的變化。此外，尤其是因為活性元素(active element)由具有較寬透射光譜的閃光燈加熱，所以諧振器的穩(wěn)定性不是非常好。由于一部分能量不用于產(chǎn)生激光束，因此這種激光器達不到最佳生產(chǎn)率。這還意味著活性介質(zhì)易受到熱應(yīng)力，這降低了脈沖傳輸?shù)姆€(wěn)定性和質(zhì)量。這一點的主要缺點是待加工的孔的精度受到限制，從而孔與孔之間不可能有好的重復(fù)性。因此，由閃光燈泵浦激光器加工出的孔的幾何形狀的加工公差較差，從而不能精確地確定通過這種孔的流體的流量。
然而，使用設(shè)有Q開關(guān)以產(chǎn)生納秒級的很窄的脈沖序列的激光裝置來加工孔則會產(chǎn)生孔的加工效率問題。確實，加工孔特別是有一定深度的孔需要大量的這種連續(xù)脈沖，這限制了這種孔的加工速度，從而限制了這種加工的工業(yè)生產(chǎn)率。此外，這種類型的激光裝置比較不靈活，因為它不能使諧振器所產(chǎn)生的脈沖分布變化以便獲得具有適合加工各種不同類型的孔的強度分布的脈沖。因此，由于不能對限定由諧振器產(chǎn)生的非常窄的脈沖的參數(shù)進行靈活調(diào)整，所以難以改變加工的孔的幾何形狀。此外，不通過需要沿圓形輪廓打多個孔的加工方法，就不能使用納秒級的脈沖來加工直徑較大的孔。最后，Q開關(guān)的頻率受到限制，這是因為在短時期內(nèi)形成有等離子體，如果等離子體仍然存在于孔加工區(qū)域上，則其會從后面的脈沖吸收光能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于在特別是用于燃料的流體噴射裝置的構(gòu)件中打孔的激光裝置，該裝置具有良好的操作穩(wěn)定性和高的孔加工精度，該裝置能夠以較高的速度加工所述孔，從而其工業(yè)生產(chǎn)率很高。
本發(fā)明的另一目的是提供一種這類裝置，該裝置在保持其效率的同時可以限制必要的投資成本。
因此，本發(fā)明涉及一種用于在特別是將燃料噴射到內(nèi)燃機的流體噴射裝置的構(gòu)件中打孔的激光加工裝置，該加工裝置包括由第一固態(tài)活性介質(zhì)和第一光學(xué)泵浦裝置形成的激光諧振器，所述第一光學(xué)泵浦裝置由激光二極管形成。所述諧振器用于產(chǎn)生微秒級的初級脈沖。該激光加工裝置包括調(diào)制裝置，該調(diào)制裝置設(shè)置在所述諧振器下游，并且對應(yīng)于進入該調(diào)制裝置的初級脈沖在輸出端產(chǎn)生二級脈沖序列。
由于本發(fā)明的激光加工裝置的特征，所以能有效并且高精度—即加工公差小地在燃料噴射裝置的構(gòu)件中例如在噴嘴或用于確定流體流量的節(jié)流孔中穿孔。該裝置可以產(chǎn)生較寬的特別是大于50μs的初級脈沖。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，寬度較窄—例如在1至20μs之間的脈沖的序列可通過激光裝置提高打孔的生產(chǎn)率和精度。然而，在由帶Q開關(guān)的諧振器產(chǎn)生的納秒級的周期性脈沖下，該效率會降低。事實上，在本發(fā)明的范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于硬質(zhì)材料來說在納秒級的加工生產(chǎn)率比在微秒級的低。然而，加工精度要求每個脈沖的能量不能增加太多。由于在不帶Q開關(guān)的激光諧振器下游設(shè)有調(diào)制裝置，所以根據(jù)本發(fā)明的裝置可產(chǎn)生具有最佳強度分布的該類型的二級脈沖系列，所述激光諧振器產(chǎn)生其能量大于二級脈沖的初級脈沖。因此，該激光裝置設(shè)置成在調(diào)制發(fā)光強度的同時在較短時期產(chǎn)生較多的用于快速加工孔的能量，以便精確且清潔地進行打孔。所調(diào)制的脈沖的另一優(yōu)點是其打孔方法相對于由激光脈沖產(chǎn)生的等離子體的動力特性而言最優(yōu)?？芍芷谛缘靥峁┏跫壝}沖以便以高的工業(yè)生產(chǎn)率來加工多個孔。
調(diào)制裝置由例如波卡爾器(Pockels cell)形成。所述波卡爾器可被精確控制，并且還可根據(jù)孔形成在其上的材料以及根據(jù)為孔限定的幾何參數(shù)來使二級脈沖序列的強度分布在該波卡爾器的輸出端變化以使打孔效率最優(yōu)。
應(yīng)當指出，將產(chǎn)生微秒級特別是數(shù)十或數(shù)百微秒左右的初級脈沖的二極管泵浦激光諧振器與用于調(diào)制所述初級脈沖以便通過形成多種持續(xù)時間較短的脈沖來改變能量的時間分布(temporal distribution)的裝置相結(jié)合，就構(gòu)成了一種特別有效的解決方案，因為該方案在產(chǎn)生到達加工材料從而影響打孔精度的能量分布的過程中除了具有靈活性外還增加了諧振器生產(chǎn)率高且穩(wěn)定的優(yōu)點。由于本發(fā)明的特征，該激光加工裝置能夠以可重復(fù)的方式加工孔并且公差較小。因此，根據(jù)本發(fā)明的裝置特別適于在流體噴射裝置或系統(tǒng)特別是燃料噴射裝置的構(gòu)件中對節(jié)流孔進行打孔。


下面將結(jié)合作為非限定示例給出的附圖對根據(jù)本發(fā)明的激光加工裝置進行更詳細的說明，其中圖1示意性地示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的主要元件；圖2示出圖1的裝置中的諧振器的第一實施例的各個元件；圖3示出激光束通過圖1的裝置中的調(diào)制裝置的變化；
圖4示出圖1的裝置中的諧振器的第二實施例；以及圖5示意性地示出圖1的裝置中的放大裝置的具體設(shè)置。
具體實施例方式
下面將結(jié)合圖1-3說明本發(fā)明的第一實施例。該裝置包括提供具有線偏振的激光束6的諧振器4。該激光束6由一連串微秒級的初級脈沖形成。該激光束被提供給用于調(diào)制進入的激光束的調(diào)制裝置8，以改變激光束的強度分布—即改變其功率分布，從而形成比由諧振器4提供的初級脈沖寬度窄的二級脈沖序列?！拔⒚爰壍拿}沖”是指寬度大于1μs特別是在50μs和1毫秒之間的脈沖。
在本發(fā)明的優(yōu)選變型中，將激光加工裝置設(shè)置成使得由諧振器4產(chǎn)生的各初級脈沖都可以在所加工的構(gòu)件上形成孔。這樣可在制造噴射裝置構(gòu)件的時獲得高的工業(yè)生產(chǎn)率，而不會相反地由于特別是由波卡爾器形成的調(diào)制裝置8而影響加工精度和所形成的孔的質(zhì)量。此外，該方案還使得由Nd:YAG晶體形成的活性介質(zhì)型二極管泵浦固態(tài)激光器(DPSSL)能夠獲得非常高的能量效率。然而，如圖3所示，該類型的諧振器與設(shè)置在下游的調(diào)制裝置的結(jié)合使得能獲得寬度較窄的—特別是在1至20μs之間的二級脈沖序列。作為示例，由諧振器提供的初級脈沖10的寬度在50μs至1ms之間。波卡爾器8調(diào)制初級脈沖10從而在輸出端提供寬度均在1至20μs之間的二級脈沖序列12。應(yīng)當指出，可以控制波卡爾器而為所選擇的應(yīng)用場合精確地限定最佳功率分布。因此，功率調(diào)制并非必須是二元的，而是可以在非零最小值和給定的最大值之間變化。
從調(diào)制器8出來的激光束16保持線偏振。然后，該激光束16進入由例如線偏振器和設(shè)置在該線偏振器之后的四分之一波片形成的光二極管18。從該光二極管出來的激光束20具有圓偏振。然后，激光束20進入用于將二級脈沖序列12放大的放大器22。通常，該放大器由光學(xué)泵浦固態(tài)活性介質(zhì)形成。
有利地，可以控制放大裝置以便通過產(chǎn)生在放大裝置中的脈沖相對于進入該放大裝置的初級脈沖的包絡(luò)的時滯來在二級脈沖序列的中心改變所述二級脈沖的幅值。因此，放大脈沖的前沿或后沿被用于對二級脈沖進行調(diào)幅。
光二極管18主要用于防止放大器22和放大器之后的加工頭24對諧振器4的反射。從放大器22出來的激光束26與從加工頭24出來的光束28一樣仍然被圓偏振。
加工頭包括調(diào)焦裝置，還可在調(diào)焦裝置前包括擴束器。
應(yīng)當指出，在圖1的裝置中設(shè)置光二極管提高了該裝置的效率，特別是提高了所提供的激光束的品質(zhì)。此外，光二極管通過防止諧振腔內(nèi)的擾動或干涉而確保了諧振器的穩(wěn)定。因此，這確保了初級脈沖之間的良好的重復(fù)性，從而確保了加工頭24出口處的裝置所提供的脈沖序列的良好的重復(fù)性。
圖2中更詳細地示出諧振器4。該諧振器以常規(guī)方式包括用于調(diào)整諧振腔元件的位置并用于將待加工部分相對于激光束正確定向的定位激光器32。其次，該諧振器以常規(guī)方式包括鏡34和部分反射鏡36。該諧振器還包括用于利用測量裝置40測量光束能量的分束器38。該諧振器還包括安全關(guān)閉裝置42和最后的用于增大所產(chǎn)生的激光束直徑的擴束器44。在圖2的實施例中，諧振器4還包括線偏振器46和限束器48。該諧振器包括由Nd:YAG晶體固態(tài)活性介質(zhì)形成的腔52。在本發(fā)明中，該活性介質(zhì)由以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式設(shè)置—特別是以二極管條或陣列形式設(shè)置的激光二極管進行光學(xué)泵浦。
如上所述，本發(fā)明的激光加工裝置可以獲得高品質(zhì)的光束，其適于在各種構(gòu)件中特別是流體噴射裝置的構(gòu)件中精確加工孔。這尤其是指這樣的光束該光束為圓形，并具有基本恒定的強度分布，而且可精確調(diào)焦以形成直徑較小的焦點。該裝置還具有非常好的穩(wěn)定性。該穩(wěn)定性的特征在于平均功率波動低、由諧振器產(chǎn)生的初級脈沖的功率變化小、由激光裝置提供的二級脈沖序列的功率變化小并且二級脈沖序列的強度分布低。
本發(fā)明的裝置產(chǎn)生的激光脈沖的能量變化小于1％。這意味著對由多個孔限定的開孔的表面的加工公差小，因此通過所述開孔的流體流量的變化小。
由諧振器產(chǎn)生的微秒級的脈沖具有例如在1Hz至1kHz之間變化的頻率。每個這種脈沖的寬度都在例如10微秒(μs)至若干毫秒(ms)之間變化，而調(diào)制器輸出端的二級脈沖的寬度可以在1至50μs之間變化。利用下文將更具體說明的合適的放大裝置，所提供的脈沖峰值功率(peakingcapacity)可以在例如100W至100kW之間。激光束在光學(xué)調(diào)焦前的直徑通常小于50mm。給定要得到的激光束的品質(zhì)，則可以對其進行精確調(diào)焦，并可以非常精確的方式—特別是在公差小于50μm的情況下—調(diào)整焦點相對于待加工構(gòu)件的距離。應(yīng)當指出，對該距離的精確調(diào)整還使得能夠根據(jù)待加工的孔的縱截面來限定孔的輪廓。
根據(jù)本發(fā)明的裝置能夠加工直徑在5μm至1mm之間的孔。(本裝置的)加工精度較高即能夠以可重復(fù)的方式連續(xù)加工相同的孔并且公差小。孔的直徑的錐度公差可小于5％?？椎膱A形輪廓的變形小于直徑的5％。一個預(yù)定的孔與其它孔的重復(fù)性可遠小于5％，特別是小于2％。這些非常有利的公差尤其源自對諧振器的使用，該諧振器由二極管泵浦固態(tài)激光活性介質(zhì)形成以產(chǎn)生較寬的初級脈沖，所述初級脈沖然后由調(diào)制裝置特別是波卡爾器進行調(diào)制以形成二級脈沖序列，所述二級脈沖的強度分布可根據(jù)打孔動態(tài)特性并特別根據(jù)孔形成于其上的材料以及所述孔的尺寸來以最佳方式進行調(diào)整。
圖4示出設(shè)置在本發(fā)明的激光加工裝置內(nèi)的諧振器的第二實施例。已經(jīng)提到過的元件在此將不再詳細說明。諧振器50與圖2的諧振器的主要區(qū)別在于振蕩器56由ND:YVO4晶體形成。該晶體具有直接提供線偏振激光束的特性，從而不必再在諧振器50中集成偏振器。由于集成偏振器46會將所提供的發(fā)光強度基本上減少一半，所以對于確定的光學(xué)泵浦功率，該晶體會產(chǎn)生其強度比圖2的諧振器所提供的強度大很多的激光束。對于帶Q開關(guān)以提供非常窄的脈沖的諧振器來說，使用這種晶體是公知的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員還未提出過不集成Q開關(guān)的用于提供較寬脈沖的諧振器。由于上述調(diào)制裝置一般需要對進入的激光束進行線偏振，所以對這種晶體的使用實際上特別適合本發(fā)明的裝置。應(yīng)當指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到具有相同特性的其它晶體。
關(guān)于偏振，還應(yīng)當指出，圖1所示裝置中各元件的布置使得能夠在加工頭出口處獲得特別適于加工孔的圓偏振激光束。
根據(jù)本發(fā)明的特定實施例，如圖5中示意性地示出的，上述放大裝置22由至少兩種固態(tài)活性介質(zhì)形成。在圖5中，激光脈沖放大裝置60由兩個腔62和64形成，所述腔62和64分別包括由閃光燈70光學(xué)地泵浦的固態(tài)介質(zhì)66和68。
在放大裝置中使用閃光燈構(gòu)成本發(fā)明的一個特定實施例，在放大裝置22包括單個腔的情況下也是如此。在放大裝置中設(shè)置閃光燈主要因為這在目前是經(jīng)濟的。事實上，使用激光二極管陣列仍然相當昂貴。在本發(fā)明的情況下，已發(fā)現(xiàn)在放大裝置中使用閃光燈對于激光束的品質(zhì)和激光加工裝置的穩(wěn)定性相對來說沒有有害的影響。事實上，在放大裝置中使用閃光燈比激光束在其中產(chǎn)生的諧振器的重要性要小得多。
最后，應(yīng)當指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對放大裝置進行各種布置，以獲得多個用于激光束的放大級?？赏ㄟ^與其它光學(xué)元件相關(guān)聯(lián)來設(shè)計其中激光束在各腔中至少穿過兩次的實施例。此外，應(yīng)當指出，在如權(quán)利要求所述的本發(fā)明范圍內(nèi)，放大器的光學(xué)狀態(tài)也可以由激光二極管進行泵浦。
權(quán)利要求
1.用于在特別是將燃料噴射到內(nèi)燃機的流體噴射裝置的構(gòu)件中打孔的激光加工裝置，所述加工裝置包括由第一固態(tài)活性介質(zhì)和第一光學(xué)泵浦裝置形成的激光諧振器(4，50)，所述第一光學(xué)泵浦裝置由激光二極管形成，其特征在于所述諧振器用于產(chǎn)生寬度在微秒級或大于微秒級的初級脈沖；該加工裝置還包括設(shè)置在所述諧振器(4)和加工頭(24)之間的調(diào)制裝置(8)，所述調(diào)制裝置被控制以對應(yīng)于進入該調(diào)制裝置的各初級脈沖(10)在輸出端提供二級脈沖序列(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括設(shè)置在所述諧振器下游的光二極管(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于將由所述諧振器提供的脈沖放大的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于將由所述諧振器提供的激光脈沖放大的裝置，所述放大裝置(22)設(shè)置在所述光二極管(18)的下游。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的裝置，其特征在于，所述光二極管由線偏振器和設(shè)置在所述線偏振器之后的四分之一波片形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述放大裝置被控制以產(chǎn)生相對于所述初級脈沖有時滯的放大脈沖，從而對所述二級脈沖進行調(diào)幅。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述放大裝置包括由第二固態(tài)活性介質(zhì)和第二光學(xué)泵浦裝置形成的腔，該第二光學(xué)泵浦裝置由閃光燈形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述放大裝置包括多種限定多個放大級的活性介質(zhì)，所述活性介質(zhì)均由閃光燈泵浦。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述諧振器用于在其輸出口提供線偏振的激光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述第一活性介質(zhì)由從可直接產(chǎn)生線偏振光的晶體中選擇的晶體特別是Nd∶YVO4晶體形成。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置用于提供微秒級的脈沖，該脈沖的能量使得可通過由所述諧振器產(chǎn)生的單個初級脈沖在給定構(gòu)件中打孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在將流體例如燃料噴射到內(nèi)燃機的裝置的構(gòu)件中打孔的激光加工裝置。激光諧振器(4)由通過激光二級管被光學(xué)泵浦的固態(tài)活性介質(zhì)形成。該諧振器用于提供微秒級的初級脈沖。此外，在諧振器和加工頭(24)之間設(shè)置有調(diào)制裝置(8)，以用于對由諧振器提供的初級脈沖進行調(diào)幅，從而產(chǎn)生對應(yīng)于各所述脈沖的寬度較小的二級脈沖序列。
文檔編號F02M61/16GK1764513SQ200480008114
公開日2006年4月26日 申請日期2004年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月26日
發(fā)明者U·迪爾, B·弗賴 申請人:拉薩格股份公司