CN110253155A - 一种微裂纹控制的激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微裂纹控制的激光加工装置，包括激光器、反射镜、扩束镜、旋转电机、整形元件和切割头，其中，所述整形元件固定在旋转电机上，所述旋转电机根据加工路径的方向旋转相应角度，带动所述整形元件旋转。本发明引入一个特殊定制的光学整形元件，来达到微裂纹控制的效果。所述整形元件的根本原理是在寻常激光加工的光路中加入一个光阑作为整形元件，对入射光进行整形。这个引入的光阑可以对入射光的光强分布进行整形，改变聚焦光斑的形状，从而达到改变切割工艺效果和控制光斑间微裂纹的效果。

Description

一种微裂纹控制的激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光微加工技术领域，尤其涉及利用多个控制器实现同步控制加工，使得激光加工玻璃、蓝宝石等多种材料时，对其产生的微裂纹进行控制，优化其切割的工艺效果等，具体为一种微裂纹控制的激光加工装置。

背景技术

在激光器对于蓝宝石和玻璃切割的运用方面，很多时候需要根据加工方向调整切割参数，包括了激光器的功率、激光器出光的偏振态、电机移动速度等。传统的激光器产生的高斯分布的光束，在切割的工艺上通常表现为一个对称的圆形光斑，并在光斑间产生微裂纹；如果参数一致，在切割过程中沿不同切割方向的微裂纹分布就不会发生改变。尤其在蓝宝石切割时，由于蓝宝石晶像的存在，如果使用统一参数，其各个方向的切割效果就会有较大差距，极大影响加工效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种微裂纹控制的激光加工装置，通过控制切割时产生的微裂纹的方向和大小，优化不同轨迹切割的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种微裂纹控制的激光加工装置，包括激光器、反射镜、扩束镜、旋转电机、整形元件和切割头，其中，所述整形元件固定在旋转电机上，所述旋转电机根据加工路径的方向旋转相应角度，带动所述整形元件旋转。

本发明引入一个特殊定制的光学整形元件，来达到微裂纹控制的效果。所述整形元件的根本原理是在寻常激光加工的光路中加入一个光阑作为整形元件，对入射光进行整形。这个引入的光阑可以对入射光的光强分布进行整形，改变聚焦光斑的形状，从而达到改变切割工艺效果和控制光斑间微裂纹的效果。

优选地，所述整形元件为下列任一者：椭圆光阑、矩形光阑、长条形叉丝。

优选地，所述激光器发射的激光光束，依次通过反射镜、扩束镜、整形元件和切割头，作用于待加工平面上。

优选地，所述整形元件、旋转电机和切割头作为一个整体进行加工。

优选地，所述扩束镜、整形元件、旋转电机和切割头作为一个整体进行加工。

优选地，所述扩束镜和切割头作为一个整体进行加工，所述整形元件和旋转电机安装在所述一个整体的前面。

优选地，所述整形元件由径向波片和偏振分光棱镜构成。

进一步地，径向波片和偏振分光棱镜构成的整形元件除了能够达到光束整形效果外，还可以实现双头分光的应用，其玻璃切割的能量利用率更高。

具体地，所述激光器发射出的线性偏振光，通过径向波片后再通过偏振分光棱镜分光可以产生两个方向的互相垂直90度形状的光斑，故可以实现分光的效果。产生的径向偏振态的激光，其偏振态的能量利用率更高，即使因为偏振分光棱镜的特性在每一路里面损耗一半能量，其加工效果也能得到保证。

优选地，所述激光器发射的激光光束，依次通过反射镜、径向波片、偏振分光棱镜、扩束镜和切割头，作用于待加工平面上。

优选地，样品的运动通过步进电机实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过引入特殊的光学整形元件对激光光束进行整形，再结合激光加工装置的控制系统的同步搭配，可以实现根据加工轨迹的变化，改变光斑分布方向，实现微裂纹的控制。

(2)本发明实现微裂纹控制的元件简单，仅用一片光学玻璃就可以制成所需的光阑，而且光阑的作用尺寸也可以轻松的制定；对于光阑的控制也只需要一个旋转电机即可，不需要额外的水冷或者风冷器件。

(3)本发明通过微裂纹控制进行激光加工，能够优化激光对玻璃和蓝宝石的加工效果，且对于玻璃可以加强其激光利用效率，对于蓝宝石可以根据晶像控制微裂纹，优化其切割效果。

附图说明

图1为根据实施例不加入椭圆光阑的ZEMAX模拟光路图；

图2为根据实施例不加入椭圆光阑时在贝塞尔切割头焦深上半段模拟的光强分布；

图3为根据实施例加入椭圆光阑的ZEMAX模拟光路图；

图4为根据实施例加入椭圆光阑后在贝塞尔切割头焦深上半段模拟的光强分布；

图5为根据实施例加入椭圆光阑后光质量分析仪实际测量的光强分布；

图6为根据实施例加入椭圆光阑后在玻璃表面切割的实际工艺效果；

图7为加工方向垂直于晶向方向时，传统加工方法切割的0.4mm蓝宝石的效果图；

图8为加工方向平行于晶向方向时，传统加工方法切割的0.4mm蓝宝石的效果图；

图9为根据实施例在加工方向垂直于晶向方向时，利用本发明激光加工装置切割的0.4mm蓝宝石的效果图；

图10为根据实施例在加工方向平行于晶向方向时，利用本发明激光加工装置切割的0.4mm蓝宝石的效果图；

图11为根据实施例的本发明激光加工装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种微裂纹控制的激光加工装置，通过引入一个特殊定制的整形元件，从而达到微裂纹控制的效果。这个整形元件的根本原理是对入射光进行整形。其具体实施的方法可以是在寻常激光加工的光路中加入一个椭圆形光阑，也可以是一个长方形光阑或长条形叉丝，或由径向波片和偏振分光棱镜构成的结构。这个引入的整形元件可以对入射光的光强分布进行整形，改变聚焦光斑的形状，从而达到改变切割工艺效果和控制光斑间微裂纹的效果。

作为一种实施方案，选用椭圆光阑作为整形元件，椭圆光阑固定在旋转电机上。对于椭圆光阑：通过光学软件ZEMAX的模拟，在传统的切割光路图1和加入光阑的切割光路图3这两种系统中，可以看到其焦深上半段的光强模拟结果分别如图2和图4显示。加入椭圆光阑之后，虽然整个贝塞尔切割头的焦深会变短，但是其焦深上半段的光强分布发生了改变，不再是传统的高斯分布。这种不对称分布的光强，作用于切割物体时，如图5和图6所示，光斑的强度分布会有明显的变化，且会在切割的上表面形成类似椭圆光斑的现象，另一方面切割物体的下表面和不加椭圆光阑时候的效果基本一致。

作为一种实施方案，选用径向波片和偏振分光棱镜构成的结构作为整形元件，其中，径向波片固定在旋转电机上。使用径向波片和偏振分光棱镜除达到激光光束整形效果外，还可以实现双头分光的应用，其玻璃切割的能量利用率更高。激光器发射出的线性偏振光，通过径向波片后再通过偏振分光棱镜PBS分光可以产生两个方向的互相垂直90度形状的光斑，故可以实现分光的效果。产生的径向偏振态的激光，其偏振态的能量利用率更高，即使因为PBS的特性在每一路里面损耗一半能量，其加工效果也能得到保证。

通过上述引入特殊整形元件的方法，再加上控制系统的同步搭配，就可以实现根据加工轨迹的变化，改变光斑分布方向以及微裂纹的控制。

请参考附图11，提供一种微裂纹控制的激光加工装置，包括激光器、反射镜、扩束镜、旋转电机、椭圆光阑和切割头，其中，所述椭圆光阑固定在旋转电机上，所述旋转电机根据加工路径的方向旋转相应角度，带动所述椭圆光阑旋转。所述反射镜包括反射镜1、反射镜2、反射镜3、反射镜4、反射镜5。激光器发射的激光光束，通过反射镜调整方向，依次经过扩束镜、椭圆光阑和切割头，作用于待加工平面上。样品的运动通过步进电机实现。

本实施例中的激光器为红外激光器，脉冲波长为1030-1070nm，平均功率30W。当然，激光器的波长和功率在别的实例中都可能根据实际加工产品发生变化。

本实施例中反射镜的摆放和光路仅提供一种思路，在不同的实例应用中，各个元器件的摆放位置、摆放顺序都可以发生改变。旋转电机应该和椭圆光阑安装在一起，旋转电机可以带动椭圆光阑旋转相同的角度。例如，如果使用径向波片和偏振分光棱镜PBS的组合，则元器件放入光路的顺序应该是：径向波片(固定在旋转电机上面)-PBS-扩束镜；而本实例中扩束镜应该放在椭圆光阑(固定在旋转电机上面)后面。在实际设备中，也可以将椭圆光阑、旋转电机和切割头制作为一个整体，或者将扩束镜、椭圆光阑、旋转电机和切割头都做成一个整体，或者仅将扩束镜和切割头作为一个整体，而将椭圆光阑和旋转电机安装在其前面。这一些类似的变化都应涵盖在本专利之内。

本实例中使用的是椭圆光阑，但是实际应用中，矩形光阑、长条形叉丝或者径向波片和分光棱镜PBS的组合均可实现类似效果。

加工过程中，步进电机带动样品按既定加工图档进行运动；旋转电机根据加工路径的方向旋转相应角度，带动椭圆光阑旋转；激光器发出的对称的具有高斯分布的光斑经过椭圆光阑后被整形，变为椭圆形或者多点式的光强分布，表现在样品上的工艺效果也因此改变，并且在不同加工方向上的工艺效果也会不同；从而达到微裂纹控制的效果。

图7和图8为传统加工方法切割的0.4mm蓝宝石的效果。图7的加工方向为垂直于晶向方向，图8的加工方向为平行于切割方向。从图7和图8的比较中可以看出来，如果按照传统的切割方法，加工一个圆形的样品，其沿晶向方向的微裂纹效果明显切均匀，但是垂直于晶向方向的微裂纹则会差很多。

图9和图10为使用本实施例切割的0.4mm蓝宝石的效果。图9的加工方向为垂直于晶向方向，图10的加工方向为平行于切割方向。使用本实施例切割出来的蓝宝石，沿不同切割方向进行微裂纹控制后，其沿晶向方向和垂直于晶向方向的微裂纹效果都较好且更均匀。可见本装置可以很好的控制微裂纹，使其整体切割效果更加均匀。

本例中根据加工方向、加工速度、加工时激光器的功率变化，其出现在玻璃表面的工艺效果可能出现多种表现形式，包括椭圆形光斑现象、分裂成两个小光斑的现象和分裂成多个小光斑的现象；这些是对于特定加工装置的现象。在不同的系统中，这种现象可能会发生改变或者有不同的表现形式。但是本加工装置的最终目的始终是对微裂纹进行控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，包括激光器、反射镜、扩束镜、旋转电机、整形元件和切割头，其中，所述整形元件固定在旋转电机上，所述旋转电机根据加工路径的方向旋转相应角度，带动所述整形元件旋转。

2.根据权利要求1所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，所述整形元件为下列任一者：椭圆光阑、矩形光阑、长条形叉丝。

3.根据权利要求2所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，所述激光器发射的激光光束，依次通过反射镜、扩束镜、整形元件和切割头，作用于待加工平面上。

4.根据权利要求3所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，所述整形元件、旋转电机和切割头作为一个整体进行加工。

5.根据权利要求3所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，所述扩束镜、整形元件、旋转电机和切割头作为一个整体进行加工。

6.根据权利要求3所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，所述扩束镜和切割头作为一个整体进行加工，所述整形元件和旋转电机安装在所述一个整体的前面。

7.根据权利要求1所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，所述整形元件由径向波片和偏振分光棱镜构成。

8.根据权利要求7所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，所述激光器发射的激光光束，依次通过反射镜、径向波片、偏振分光棱镜、扩束镜和切割头，作用于待加工平面上。

9.根据权利要求1所述的一种微裂纹控制的激光加工装置，其特征在于，样品的运动通过步进电机实现。