CN109807474A - 一种硬脆材料激光精密加工装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬脆材料激光精密加工装备，包括基座，基座上设有激光器，所述激光器内包括半导体侧泵模块，该半导体侧泵模块上设有第一光路输出端和第二光路输出端；半导体侧泵模块的第一光路输出端外依次设有声光开关、第一细孔光阑和第一全反镜，所述第二光路输出端外依次设有偏振组合片、第二细孔光阑和输出镜；基座上设有沿激光器的输出端光路依次设置的扩束镜、装有聚焦镜的切割头和夹具；基座上设有摄像头和与夹具连接的水平移动机构。本发明提供的硬脆材料激光精密加工装备，其光束的质量高且稳定，在硬脆材料上的切割面光滑，能实现精确切割。
Description
技术领域
本发明涉及硬脆材料激光去除加工领域，尤其涉及一种硬脆材料激光精密加工装备。
背景技术
硬脆材料需要经过去除加工后，才能作为产品并应用于相应的领域中。硬脆材料在加工时需要对不同面进行切割。目前，对硬脆材料的加工手段大多采用机械切割、手工打磨抛光等，其操作复杂，其中，机械切割需要高速运转的部件，例如锯盘，其快速运转时存在一定幅度的摆动，导致精确度低，运动的部件容易将切割超硬脆材料时产生的粉尘扬起，污染大，而且机械切割的噪声也大。
随着激光发生器的不断成熟，激光在切割上的运用也越来越广泛。为了切割硬脆材料所需的激光功率较高。然而，与功率较小的激光器相比，大功率的激光器由于其泵浦会产生大量的热，热量太高产生的热透镜会导致谐振腔不稳定，从而造成光束质量较差。许多硬材料价格极其昂贵且易碎，所以加工良品率的要求极高。而目前市面上的红外激光器要么功率不够，要么功率够的光束质量不足，被加工件的良品率十分低下。此外，目前的激光器的体积较大，且光束中含有较多不同波长的光，光束质量较低，无法适用于高端超硬材料精密加工领域。
采用激光切割物件属于高温切割，虽然可以使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，但熔融物质残留在材料上也对后续的切割造成阻碍，降低切割的精确度和切割效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种硬脆材料激光精密加工装备，其光束的质量高且稳定，在硬脆材料上的切割面光滑，能实现精确切割。
为实现上述目的，本发明提供一种硬脆材料激光精密加工装备，包括基座，基座上设有激光器，所述激光器内包括半导体侧泵模块，该半导体侧泵模块上设有第一光路输出端和第二光路输出端；半导体侧泵模块的第一光路输出端外依次设有声光开关、第一细孔光阑和第一全反镜，所述第二光路输出端外依次设有偏振组合片、第二细孔光阑和输出镜；基座上设有沿激光器的输出端光路依次设置的扩束镜、装有聚焦镜的切割头和夹具；基座上设有摄像头和与夹具连接的水平移动机构。
作为本发明的进一步改进，所述输出镜的输出率T＝13％-32％。
作为本发明的更进一步改进，所述扩束镜与切割头之间设有45度反射镜，所述摄像头位于45度反射镜的上方。
作为本发明的更进一步改进，所述45度反射镜的上方设有与其平行布置的45度棱镜，所述摄像头的镜头水平朝向45度棱镜。
作为本发明的更进一步改进，所述切割头上设有吹扫机构；所述基座上设有扩束镜的位置调节机构。
作为本发明的更进一步改进，所述半导体侧泵模块的第一光路输出端与声光开关之间设有第二全反镜，该第二全反镜与光路的入射和反射角均为40°-60°；所述半导体侧泵模块的第二光路输出端与偏振组合片之间设有第三全反镜，该第三全反镜与光路的入射角和反射角均为40°-60°。
作为本发明的更进一步改进，所述输出镜、第二细孔光阑、偏振组合片、第三全反镜、半导体侧泵模块、第二全反镜、声光开关、第一细孔光阑和第一全反镜构成U型谐振腔。
作为本发明的更进一步改进，所述偏振组合片包括相互平行的第一偏振片和第二偏振片，所述第一偏振片和第二偏振片两者沿光路方向依次布置并与光路方向相垂直，两片偏振片的透振方向相垂直。
作为本发明的更进一步改进，所述第一细孔光阑和第二细孔光阑的孔径均为0.5-1.4mm；输出镜的输出率T＝20％。
作为本发明的更进一步改进，所述壳体侧壁上设有与输出镜相对的保护镜片。
有益效果
与现有技术相比，本发明的硬脆材料激光精密加工装备的优点为：
1、通过设置第一全反镜和部分反射的输出镜，让从半导体侧泵模块两个光路输出端发出的光子在第一全反镜和输出镜之间反射，并不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束。其光束的质量高且稳定，在硬脆材料上的切割面光滑，能实现精确切割。
2、输出镜的输出率T＝13％-32％，其光斑偏离值低，输出的激光光束抖动小，质量稳定，切割硬脆材料时，硬脆材料不容易碎裂。输出率太低，激光器很容易烧坏，寿命短；输出率太高，难以达到有效的振荡效果。
3、通过设置第二全反镜和第三全反镜，使1064nm激光器壳体内的光路发生转向，有利于缩短壳体的整体长度。进一步的，谐振腔设置成U型，可将壳体长度缩短大约一半的同时、避免其宽度过大，可实现1064nm激光器的小型化，减少占地面积，方便运输和储存。
4、采用硬脆材料激光精密加工装备进行加工时，硬脆材料被固定在粘接棒的一端，粘接棒被基座上的夹具固定住。1064nm激光从激光器射出后水平经过扩束镜，然后通过45度反射镜改为竖直朝下照射，经过切割头上的聚焦镜进行聚焦，最终照射在硬脆材料上进行切割。光路从水平转为竖直朝下，可以让激光器和夹具、水平移动机构设置在不同高度，利于减小设备的占地面积。
5、根据摄像头实时观察硬脆材料的切割情况，通过水平移动机构调节硬脆材料的位置，以实现精确切割。
6、切割头上设有吹扫机构，在切割硬脆材料的过程中，可吹走附着在硬脆材料上的熔融物质，避免熔融物质对激光切割造成的阻碍，从而提高切割效率和切割精度。
7、45度反射镜的上方设有与其平行布置的45度棱镜，摄像头的镜头水平朝向45度棱镜，从而可将摄像头横置，相比于摄像头竖直放置，将摄像头横置可以充分利用激光切割装置的横向空间，降低其高度。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为硬脆材料激光精密加工装备的激光器内部结构示意图；
图2为偏振组合片中两块偏振片的布置示意图；
图3为硬脆材料激光精密加工装备的内部结构示意图之一；
图4为为图3中的A向放大图；
图5为硬脆材料激光精密加工装备的内部结构示意图之二；
图6为扩束镜的位置调节机构立体示意图；
图7为扩束镜的位置调节机构的右视图；
图8为扩束镜的位置调节机构的后视图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例。
实施例
本发明的具体实施方式如图1至图8所示，一种硬脆材料激光精密加工装备，包括基座16，基座16上设有激光器，激光器的壳体15内包括半导体侧泵模块1。半导体侧泵模块1可发射1064nm的激光，但由于其发射的激光质量较低，在从激光器中射出前需要进行相应的处理。该半导体侧泵模块1上设有第一光路输出端和第二光路输出端。半导体侧泵模块1的第一光路输出端外依次设有声光开关2、第一细孔光阑3和第一全反镜4，所述第二光路输出端外依次设有偏振组合片7、第二细孔光阑8和输出镜9。声光开关2是在激光腔内起调Q作用的功能元件，是作为一种受控的可变损耗而插入的。通过激光调Q能使连续激光功率输出转化为具有高峰值功率的激光脉冲输出。基座16上设有沿激光器的输出端光路依次设置的扩束镜27、装有聚焦镜的切割头19和夹具20。基座16上设有摄像头22和与夹具20连接的水平移动机构21。本实施例中，激光器的激光沿水平向射出，扩束镜27与切割头19之间设有45度反射镜17，激光经45度反射镜17变成竖直向下。摄像头22位于45度反射镜17的上方。
输出镜9的输出率T的范围选择在13％-32％之间。本申请中，输出镜9的输出率T＝20％。
半导体侧泵模块1的第一光路输出端与声光开关2之间设有第二全反镜5，该第二全反镜5与光路的入射和反射角均为40°-60°。半导体侧泵模块1的第二光路输出端与偏振组合片7之间设有第三全反镜6，该第三全反镜6与光路的入射角和反射角均为40°-60°。本实施例中，第二全反镜5与光路的入射和反射角均为45°，第三全反镜6与光路的入射角和反射角均为45°。
输出镜9、第二细孔光阑8、偏振组合片7、第三全反镜6、半导体侧泵模块1、第二全反镜5、声光开关2、第一细孔光阑3和第一全反镜4构成U型谐振腔。
偏振组合片7包括相互平行的第一偏振片71和第二偏振片72，所述第一偏振片71和第二偏振片72两者沿光路方向依次布置并与光路方向相垂直，两片偏振片的透振方向相垂直，确保最后出光为圆形偏振态。第一细孔光阑3和第二细孔光阑8的孔径均为0.5-1.4mm。本实施例中，第一细孔光阑3和第二细孔光阑8的孔径均为0.8mm。偏振组合片7用于过滤掉杂光，配合细孔光阑，可提高光束质量，克服半导体侧泵模块1本身激光质量低的问题。当选用的输出镜9其输出率为T＝20％时，其光斑偏离值(deviation)能控制到低于5％。
壳体15侧壁上设有与输出镜9相对的保护镜片10。
1064nm激光器在运行时，半导体侧泵模块1的第一光路输出端和第二光路输出端发出激光。第二光路输出端的激光经过第二全反镜5反射后穿过声光开关2，声光开关2使连续激光功率输出转化为具有高峰值功率的激光脉冲输出。然后激光穿过第一细孔光阑3，被第一全反镜4反射后重新依次经过第一细孔光阑3、声光开关2、第二全反镜5和半导体侧泵模块1，并从半导体侧泵模块1的第一光路输出端穿出。从第一光路输出端输出的激光经过第三全反镜6反射后，经过偏振组合片7，被第一偏振片71和第二偏振片72处理后，从偏振组合片7射出的激光呈圆形偏振态。激光再依次经过第二细孔光阑8和输出镜9。由于输出镜9的输出率T＝20％，只有20％的激光透过输出镜9射出，其余80％的激光原路反射再次在谐振腔中振荡。
本实施例中，基座16上还设有位于激光器下方的控制盒25和激光器电源26，激光器电源26与激光器连接。
切割头19包括升降机构，可根据夹具20上超硬材料的待切割位置调节聚焦镜的高度，确保落在待切割位置上的光斑尽可能小，热量足够高。升降机构可采用气缸驱动或直线电机驱动等多种驱动方式。
进行切割时，硬脆材料被固定在粘接棒的一端，粘接棒被基座16上的夹具20固定住。如图4所示，夹具20包括分别上下布置的第一夹持部和第二夹持部。第一夹持部与第二夹持部通过第一螺栓相互连接。第一夹持部和第二夹持部两者相对的端面上设有上下一一对应的半圆柱面凹槽，一对半圆柱面凹槽构成水平延伸的圆形夹持孔。第一夹持部上设有粘接棒的锁紧结构，锁紧结构包括相互螺纹配合的紧固孔和锁紧螺钉。紧固孔和夹持孔一一对应，紧固孔竖直穿过第一夹持部并与夹持孔连通，锁紧螺钉一端从紧固孔伸入至夹持孔内并压住粘接棒。此外，第一夹持部和第二夹持部两者相对的端面上设有上下一一对应的凹槽也可以为三角形面凹槽，一对三角形面凹槽构成水平延伸的菱形夹持孔，菱形夹持孔可以夹住多种不同直径的粘接棒。夹具上的夹持孔数量为多条且并列布置，其排列方向水平延伸。
切割头19上设有吹扫机构24。吹扫机构24包括一端设有出气口的喷气管，喷气管的另一端为气体导管连接端。喷气管为两条且其中部与切割头19底部一侧均为转动连接，其摆动方向与夹具上夹持孔的排列方向相同。在切割超硬脆材料的过程中，吹扫机构24可吹走附着在硬脆材料上的熔融物质，避免熔融物质对激光切割造成的阻碍，从而提高切割效率和切割精度。
45度反射镜17的上方设有与其平行布置的45度棱镜23，摄像头22的镜头水平朝向45度棱镜23。此外，还可在基座16上设置水冷系统，水冷系统上设有用于给声光开关2和半导体侧泵模块1进行冷却的水冷管。
基座16上还设有扩束镜27的位置调节机构30。本实施例中，位置调节机构30包括能固定在基座16上的基板31、用于安装扩束镜27的套筒32、水平直线移动的第一平移板331、上下直线移动的第二平移板332和角度偏转板341。套筒32固定在第一平移板331上。基板31、角度偏转板341、第二平移板332和第一平移板331四者沿光路方向依次布置，且四者竖直布置。
第二平移板332上固设有水平导杆333，第一平移板331套设在水平导杆333上，且水平导杆333上还套设有位于第一平移板331与第二平移板332之间的弹簧。第二平移板332上设有与其螺纹配合、用于推动第一平移板331水平移动的第一推杆334，第一平移板331在弹簧作用下可复位。角度偏转板341上固设有竖直导杆342，第二平移板332套设在竖直导杆342上，且竖直导杆342上还套设有位于第二平移板332和角度偏转板341之间的弹簧。角度偏转板341上设有与其螺纹配合、用于推动第二平移板332向下移动的第二推杆343，第二平移板332在弹簧作用下可复位。通过操作第一推杆334和第二推杆343，可以调节扩束镜27的上、下、左、右位置。
角度偏转板341呈方形，其两个下角和其中一个上角处分别设有与基板31连接的第一螺丝弹簧组件35、第二螺丝弹簧组件36和第三螺丝弹簧组件37，其中，第三螺丝弹簧组件37位于第二螺丝弹簧组件36的正上方，每个螺丝弹簧组件均包括螺丝和套设在螺丝上的弹簧。根据情况拧动第一螺丝弹簧组件35、第二螺丝弹簧组件36和第三螺丝弹簧组件37三者，可以调节扩束镜27的水平摆动角度和上、下倾角，以在实际操作中获得最佳的光路。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (10)
1.一种硬脆材料激光精密加工装备，包括基座(16)，其特征在于，基座(16)上设有激光器，所述激光器内包括半导体侧泵模块(1)，该半导体侧泵模块(1)上设有第一光路输出端和第二光路输出端；半导体侧泵模块(1)的第一光路输出端外依次设有声光开关(2)、第一细孔光阑(3)和第一全反镜(4)，所述第二光路输出端外依次设有偏振组合片(7)、第二细孔光阑(8)和输出镜(9)；基座(16)上设有沿激光器的输出端光路依次设置的扩束镜(27)、装有聚焦镜的切割头(19)和夹具(20)；基座(16)上设有摄像头(22)和与夹具(20)连接的水平移动机构(21)。
2.根据权利要求1所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，所述输出镜(9)的输出率T＝13％-32％。
3.根据权利要求1或2所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，所述扩束镜(27)与切割头(19)之间设有45度反射镜(17)，所述摄像头(22)位于45度反射镜(17)的上方。
4.根据权利要求3所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，所述45度反射镜(17)的上方设有与其平行布置的45度棱镜(23)，所述摄像头(22)的镜头水平朝向45度棱镜(23)。
5.根据权利要求4所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，所述切割头(19)上设有吹扫机构(24)；所述基座(16)上设有扩束镜(27)的位置调节机构(30)。
6.根据权利要求1或5所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，所述半导体侧泵模块(1)的第一光路输出端与声光开关(2)之间设有第二全反镜(5)，该第二全反镜(5)与光路的入射和反射角均为40°-60°；所述半导体侧泵模块(1)的第二光路输出端与偏振组合片(7)之间设有第三全反镜(6)，该第三全反镜(6)与光路的入射角和反射角均为40°-60°。
7.根据权利要求6所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，所述输出镜(9)、第二细孔光阑(8)、偏振组合片(7)、第三全反镜(6)、半导体侧泵模块(1)、第二全反镜(5)、声光开关(2)、第一细孔光阑(3)和第一全反镜(4)构成U型谐振腔。
8.根据权利要求1或7所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，所述偏振组合片(7)包括相互平行的第一偏振片(71)和第二偏振片(72)，所述第一偏振片(71)和第二偏振片(72)两者沿光路方向依次布置并与光路方向相垂直，两片偏振片的透振方向相垂直。
9.根据权利要求8所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，其特征在于，所述第一细孔光阑(3)和第二细孔光阑(8)的孔径均为0.5-1.4mm；输出镜(9)的输出率T＝20％。
10.根据权利要求9所述的一种硬脆材料激光精密加工装备，其特征在于，其特征在于，所述壳体(15)侧壁上设有与输出镜(9)相对的保护镜片(10)。
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