CN107824958A - 一种355nm紫外激光钻石切割设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种355nm紫外激光钻石切割设备，包括机架、电源、光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度系统及控制系统；电源机架上；光学传输系统包括激光电源、激光器、扩束镜、45度反射镜、切割头；机械控制系统包括升降台、夹具、二维工作台；激光器采用采用端面泵浦、腔内倍频、V型三镜折叠谐振腔的结构；所述光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度系统、电源与控制系统电连接。本发明采用高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键，加工件切割面平直，锥度小，切缝窄、切边平直，减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量，实现柔性化生产，生产过程中更节能环保。

Description

一种355nm紫外激光钻石切割设备
技术领域
本专利涉及激光加工技术等领域，特别涉及一种355nm紫外激光钻石切割设备。
背景技术
钻石是钻石原石只有经过切磨和加工之后而形成的，因此，对于钻石的切磨及加工方式影响到钻石的光彩和质量，并在在切磨及加工过程中还需尽量保持钻石的最大重量，并减少瑕疵。然而钻石由于硬度极高而使其难以切割。现的技术中对于钻石的锯切是以边缘涂有钻石粉及润滑剂的磷青铜圆片高速旋转，切开固定在夹子上的钻石。采用这种方法在加工过程中，切削力易损坏钻石，且加工误差大，无法获得理想比例和数目的钻石，需要考虑钻石本身的生长方向及钻石在加工过程中的机械性能。
红外激光切割采取热加工的方式将材料表面的物质加热并使其蒸发，以除去材料；这种加工方工贸对钻石造成不容忽视的热影响，与短波长激光加工相比，切缝大，质量损失严重，加工效率低。绿光激光是红外向紫外过渡的波长，相对红外激光聚焦光斑更小、作用时间更短、热影响区更小，而采用绿光激光需要制定合理的工艺，才能避免加工过程中出现微裂纹，影响加工质量。
与红外加工不同，紫外切割从本质上来说不是热处理，而且大多数材料吸收紫外光比吸收红外光更容易。高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键，用这种"冷"光蚀处理技术加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化。此外紫外短波长本身的特性对钻石的机械微处理具有优越性.它可以被聚焦到亚微米数量级的点上，因此可以进行细微的加工，即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地进行材料加工。因此对钻石的切割，如何采用利用现有的设备进行紫外激光切割，是本领域技术人员研究的重点和亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种355nm紫外激光钻石切割设备，本发明采用高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键，加工件切割面平直，锥度小，切缝窄、切边平直，减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量，实现柔性化生产，生产过程中更节能环保。
本发明中的一种355nm紫外激光钻石切割设备具体包括机架、电源、光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度系统及控制系统；电源(3)机架上；光学传输系统包括激光电源(4)、激光器(7)、扩束镜(8)、45度反射镜(11)、切割头(13)；机械控制系统包括升降台(12)、夹具(14)、二维工作台(15)；激光器(7)采用采用端面泵浦、腔内倍频、V型三镜折叠谐振腔的结构；所述光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度系统、电源与控制系统电连接。
进一步地，泵浦功率40W，泵浦波长808nm，腔内倍频包括LBO二倍频晶体和三倍频晶体；扩束镜为伽利略式三倍扩束镜，包括输入凹透镜和输出凸透镜，透镜两面镀有窄带增透膜；45度反射镜(11)为熔融石英基底，镀有高反膜
进一步地，机架(17)设置有上下两层，机架上层设置有可用于工件切割的通孔结构。
进一步地，激光电源(4)设置于机架上层，激光电源(4)与激光器(7)电连接；激光器(7)设置于机架的上层，激光器(7)前端安装有扩束镜(8)；45度反射镜(11)通过支架设置于机架上，激光器(7)、扩束镜(8)及45度反射镜(11)设置于同一水平线上。
进一步地，二维工作台(15)设置于机架(17)的下层，二维工作台(15)上安装有夹具，夹具设置于通孔结构的正下方；切割头(13)通过升降台(12)安装于机架的上层。
进一步地，成像系统包括CCD(9)、CCD镜头(10)，成像系统通过支架安装于机架上层，并位于通孔结构上方；CCD(9)为640万高像素工业CCD摄像头。
进一步地，吸尘系统包括吸尘器(2)及洗尘管(6)，吸尘器设置于机架的下层，洗尘管的下端与吸尘器相连接，洗尘管的上端延伸设置于工件切割工位处；吸尘器(2)为工业用吸尘器，功率为1500W,空气流量为1200m3/H。
进一步地，控制系统包括计算机(1)及控制盒(5)，计算机(1)及控制盒(5)安装于机架上；计算机(1)安装有应用于钻石激光切割的软件；控制盒(5)包括USB接口通讯电路、外部扩展存储电路(SRAM)、D/A转换电路、PWM控制电路和直线电机电路。
本发明还提供一种利用上述的355nm紫外激光钻石切割设备进行的钻石加工方法，包括以下步骤：将需要进行切割的钻石夹置于夹具(14)中，切割头(7)发出激光，光束依次经过扩束镜的扩束作用，45度反射镜的反射作用，及切割头(13)的聚焦作用，使得高能量密度的光斑始终处于切口位置；控制系统控制二维工作台(15)上在X、Y方向运动，直到完成钻石的加工。
进一步地，1064nm的激光形成方法是通过激光器将泵浦光聚焦到Nd:YAG激光晶体上，形成1064nm基频光，经过LBO二倍频晶体和三倍频晶体，采用II类临界相位匹配方式，获得5W的激光输出。
本发明提供的355nm紫外激光钻石切割设备的优点在于：
与相对传统钻石切割设备和红外激光切割设备相比，本发明采用先进的基于软件的紫外激光切割设备取代了传统转盘片切割，用无接触加工方式替代了传统的机械接触；加工过程中对钻石无直接冲击，无“切削力”作用于工件，无机械变形。采用紫外激光切割可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量，实现柔性化生产，生产过程中更节能环保。
本发明采用355nm紫外激光的"冷"光蚀处理技术取代传统钻石切割设备和长波长红外激光的热加工设备，用高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键，加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化，切割面平直，锥度小，切缝窄、切边平直。同时，355nm紫外短波长可以被聚焦成亚微米数量级光斑，进行更细微的加工。因此，即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地进行材料加工。
采用本发明的技术方案制得的钻石重量损失显著降低，钻石价值保持的更高；加工面热影响小，无需打开或者涂黑要求，切割面无毛边、干净、光滑，切口窄、误差小。
本发明中的成像系统采用高像素工业CCD摄像头，可以对切割对象的轮廓进行高质量拍摄，获得放大、清晰的钻石图片，引导用户根据杂质情况选择切割面数和百分比，最佳地利用钻石，实现最优切割加工，将重量损耗降到最小，实现对钻石进行精确切割。
本发明中的控制系统的设备用户界面友好，操作简单，降低了对技工的要求，可将人为失误降到几乎为零，合格率高，将大大提高了钻石的加工质量和效率。
本发明中的机械控制系统采用高精度平移台系统，通过伺服电机带动工件运动，具有加工精度高，加工重复性好，加工效率高，适合现代快节奏的生产要求；采用多工位专用夹具，可同时加工多个钻石，节省加工时间，提高生产效率；同时采用大理石平台作为激光器安装基准，以及减震机床垫块，具有足够的强度和刚性，能在各种工况及环境下都能快速、高精度、稳定的运行。
附图说明
图1为355nm紫外激光钻石切割设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及说明书附图对本发明作进一步具体详细描述。
如图1所示的355nm紫外激光钻石切割设备，包括机架、电源、光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度系统及控制系统。
机架(17)设置有上下两层，用于放置激光切割设备。机架上层设置有工件切割工位，工件切割工位可以为任意形状的通孔结构，用于实现机架上层结构及机架下层结构的光路连接。电源(3)机架上，用于激光钻石切割设备提供稳定可靠的电源。本实施例中的机架采用大理石平台作为激光器安装基准，机架腿部使用减震机床垫块垫底。机架可为激光切割设备提供强度和刚性，保证机架上各零部件稳定，确保设备在各种工况及环境下快速、高精度、稳定的运行。
光学传输系统包括激光电源(4)、激光器(7)、扩束镜(8)、45度反射镜(11)、切割头(13)。激光电源(4)为激光器(7)提供所需的驱动电源。激光电源(4)设置于机架上层，激光电源(4)与激光器(7)电连接。激光器(7)设置于机架的上层，激光器(7)前端安装有扩束镜(8)；45度反射镜(11)通过支架设置于机架上，激光器(7)、扩束镜(8)及45度反射镜(11)设置于同一水平线上。激光器(7)发出的激光经过扩束镜(8)、45度反射镜(11)、切割头(13)构成的光学传输系统，分别经过准直扩束、反射、聚焦，被引导至工件表面，用于切割钻石。本实施例中，激光器(7)采用采用端面泵浦、腔内倍频、“V”型三镜折叠谐振腔结构的方式获得355nm紫外激光。其中，泵浦功率40W,泵浦波长808nm。激光器将泵浦光聚焦到Nd:YAG激光晶体上，形成1064nm基频光，再经过LBO二倍频晶体和三倍频晶体，并采用II类临界相位匹配方式，获得5W的激光输出。该激光器具有低功率泵浦、泵浦转换效率高、谐振腔损耗小，频率转换效率高、体积小、寿命长等特点。扩束镜(8)采用伽利略式三倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有355nm窄带增透膜，增加紫外光束的透光率，发出的355nm紫外激光束转变成符合钻石激光加工需要的激光光斑形状，同时对激光进行准直，减小激光束的发散角，使得聚焦后的光斑有更小的聚焦光斑，更高的功率密度。45度反射镜(11)采用熔融石英基底，镀有355nm高反膜，损伤阈值高，可减少光路反射光的散射，用于将水平传输的激光反射成竖直方向传输；使得光路与水平放置的钻石保持近似垂直的关系。切割头(13)采用焦距为100mm的熔融石英材料的多片透镜组，减小了加工系统的像差，损伤阈值高，成像质量优良，可使经过适当倍率扩束后的平行激光束，聚焦为很小的焦斑。将经过扩束镜(8)准直的光束经过透镜聚焦,形成高能量密度的光斑，使得焦点处功率密度最高，用于钻石加工。另外，可根据加工要求选用切割头(13)的不同焦距，透镜焦距越长,焦点光斑越大,功率密度越低,同时，焦距焦深大，有效切割范围大，操作容许度大。
机械控制系统包括升降台(12)、夹具(14)、二维工作台(15)。所述二维工作台(15)设置于机架的下层，二维工作台(15)上安装有夹具，夹具设置于工件切割工位的正下方且夹具可通过二维工作台调整其水平方向的位置。升降台安装于机架的上层的工件切割工位处，切割头(13)通过升降台(12)安装于机架的上层，升降台可以用于调整切割头的竖直方向的位置。通过工作台的伺服电机带动装夹有钻石的夹具(14)在X、Y方向运动；而夹具的运动使得激光可以在钻石上加工出预设的加工路线。
成像系统包括CCD(9)、CCD镜头(10)，成像系统通过支架安装于机架上层，并位于机架上工件切割工位上方，使得成像系统可以对切割对象的轮廓进行高质量拍摄，获得放大、清晰的钻石图片。CCD(9)采用640万高像素工业CCD摄像头，100mm镜头。控制系统根据拍摄的图片引导用户根据杂质情况选择切割面数和百分比，最佳地利用钻石，实现最优切割加工，将重量损耗降到最小，实现对钻石进行精确切割。
吸尘系统包括吸尘器(2)、洗尘管(6)，吸尘器设置于机架的下层，洗尘管的下端与吸尘器相连接，洗尘管的上端延伸设置于工件切割工位处。吸尘器(2)采用功率为1500W,空气流量为1200m3/H的工业用吸尘器。吸尘系统对于钻石切割过程中产生的粉尘、烟雾进行吸附和过滤，减少对操作人员的危害，防止环境污染。
温度控制系统包括冷水机(16)，冷水机设置于机架的下层，并位于二维工作台(15)的正下方。冷水机(16)采用了制冷量为800W，水容积为10L，最大流量为10L/min的激光冷水机，从而达到高效稳定的制冷效果。温度控制系统用于吸收激光器在能量转化过程中散发大量热量，使激光器中晶体材料、谐振腔保持在正常温度范围内工作，同时保证器件高效率并且稳定的运行。
控制系统包括计算机(1)及控制盒(5)，计算机(1)及控制盒(5)安装于机架上。计算机(1)安装有应用于钻石激光切割的软件，该软件具有文件解析、运动控制、激光控制、补偿校正等功能。同时计算机是使用数控系统的主要窗口和手段，同时负责控制卡等器件的通讯，使功能集成化，最终实现图形的处理加工。控制盒(5)中主要有USB接口通讯电路、外部扩展存储电路(SRAM)、D/A转换电路、PWM控制电路和直线电机电路。控制盒(5)可提供高速高精度的运动控制、激光开关信号和PWM信号及激光系统三维运动信号等相关控制。
本发明中的工作原理为：将需要进行切割的钻石夹置于夹具(14)中，切割头(7)发出激光，激光通过激光器及扩束镜水平射到45度反射镜上，反射镜将激光反射到切割头(13)中，同时控制系统控制升降台(12)带动切割头(13)上下移动，调整聚焦后的准直的光束的位置，使得高能量密度的光斑始终处于切口位置，进行钻石加工；同时控制系统控制二维工作台(15)上在X、Y方向运动，带动夹具(14)按照预设的加工路线移动，夹具的运动使得激光可以在钻石上加工出预设的加工路线；直到完成钻石的加工。
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：该设备包括机架、电源、光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度系统及控制系统；电源(3)机架上；光学传输系统包括激光电源(4)、激光器(7)、扩束镜(8)、45度反射镜(11)、切割头(13)；机械控制系统包括升降台(12)、夹具(14)、二维工作台(15)；激光器(7)采用采用端面泵浦、腔内倍频、V型三镜折叠谐振腔的结构；所述光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度系统、电源与控制系统电连接。
2.根据权利要求1所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：泵浦功率40W，泵浦波长808nm，腔内倍频包括LBO二倍频晶体和三倍频晶体；扩束镜为伽利略式三倍扩束镜，包括输入凹透镜和输出凸透镜，透镜两面镀有窄带增透膜；45度反射镜(11)为熔融石英基底，镀有高反膜。
3.根据权利要求1所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：机架(17)设置有上下两层，机架上层设置有可用于工件切割的通孔结构。
4.根据权利要求1所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：激光电源(4)设置于机架上层，激光电源(4)与激光器(7)电连接；激光器(7)设置于机架的上层，激光器(7)前端安装有扩束镜(8)；45度反射镜(11)通过支架设置于机架上，激光器(7)、扩束镜(8)及45度反射镜(11)设置于同一水平线上。
5.根据权利要求3所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：二维工作台(15)设置于机架(17)的下层，二维工作台(15)上安装有夹具，夹具设置于通孔结构的正下方；切割头(13)通过升降台(12)安装于机架的上层。
6.根据权利要求3所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：成像系统包括CCD(9)、CCD镜头(10)，成像系统通过支架安装于机架上层，并位于通孔结构上方；CCD(9)为640万高像素工业CCD摄像头。
7.根据权利要求1所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：吸尘系统包括吸尘器(2)及洗尘管(6)，吸尘器设置于机架的下层，洗尘管的下端与吸尘器相连接，洗尘管的上端延伸设置于工件切割工位处；吸尘器(2)为工业用吸尘器，功率为1500W,空气流量为1200m3/H。
8.根据权利要求1所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备，其特征在于：控制系统包括计算机(1)及控制盒(5)，计算机(1)及控制盒(5)安装于机架上；计算机(1)安装有应用于钻石激光切割的软件；控制盒(5)包括USB接口通讯电路、外部扩展存储电路(SRAM)、D/A转换电路、PWM控制电路和直线电机电路。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的一种355nm紫外激光钻石切割设备进行的钻石加工方法，其特征在于：该加工方法包括以下步骤：将需要进行切割的钻石夹置于夹具(14)中，切割头(7)发出激光，光束依次经过扩束镜的扩束作用，45度反射镜的反射作用，及切割头(13)的聚焦作用，使得高能量密度的光斑始终处于切口位置；控制系统控制二维工作台(15)上在X、Y方向运动，直到完成钻石的加工。
10.根据权利要求9所述的一种钻石加工方法，其特征在于：1064nm的激光形成方法是通过激光器将泵浦光聚焦到Nd:YAG激光晶体上，形成1064nm基频光，经过LBO二倍频晶体和三倍频晶体，采用II类临界相位匹配方式，获得5W的激光输出。
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