CN204185383U - 红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，包含沿光路依次布置的激光器、准直镜、光束角度调整模块和第一分光系统，激光器是1070±10nm光纤脉冲激光器，第一分光系统的输出端布置有第一聚焦镜和第二分光系统，第二分光系统的输出端布置有第二聚焦镜和反射镜，反射镜的输出端布置有第三聚焦镜，第一聚焦镜、第二聚焦镜和第三聚焦镜正对于用于放置蓝宝石玻璃的三维平台。采用经过优化的激光光束进行加工，通过分光提高激光功率的使用率，提升效率、降低成本，还可以降低其边缘崩边和热影响区域；具有光斑小、效率高和成本低等特点。

Description

红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置。

背景技术

随着科技技术的发展，蓝宝石玻璃在电子产品和LED照明等行业中的应用也越来越广泛。蓝宝石玻璃，成分是单晶氧化铝，通过人工合成，长晶锭形成，莫氏强度为9。相比普通硅酸盐玻璃，其硬度高，主要用于制作高档手表的表镜。

蓝宝石玻璃有着良好的热特性、电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，耐高温，导热性好，透红外。因此常用来代替其他光学材料制作光学元件、透红外线光学窗片，并被广泛地应用于红外以及远红外军用装备方面，如：应用于夜视红外和远红外瞄准镜、夜视摄像机等仪器和卫星、空间技术的仪器仪表中以及用作高功率激光器的窗口、各种光学镜片、透镜、低温实验的观察口，在航海航天航空用高精密仪器仪表方面得到应用。

近两年触屏手机对蓝宝石的需求量有所增加，体现在手机镜头玻璃，Home按键以及主屏幕盖板上。LED灯丝封装用的透明蓝宝石支架也在兴起。

机械加工至今被认为是最为可靠和理想的加工手段，可以满足高尺寸精度以及高表面光洁度的成品要求。但是对于硬度仅次于金刚石的蓝宝石来说，高额的加工成本以及较长加工周期导致蓝宝石成本价格居高不下；而机械磨削加工后，蓝宝石表面残余应力以及塑性变形已经成为影响加工蓝宝石玻璃成品质量的主要问题。

激光加工采用聚焦获得高功率光能量到材料表面，使局部材料加热、熔化、分解、气化，实现对材料的去除，对外界环境要求不高，其加工质量取决于使用的工艺参数、材料的光学和热学特性。激光加工具有非接触性、柔性化，高效率、易实现数字化控制点，易于CNC机床集成实现三维加工、基本无损耗和低成本的优势。

相比CO₂激光器加工，由于其波长较长、受到透镜像差、衍射等因素的制约，加工出来的光斑(含热影响区)都将近100um，加工出来的蓝宝石边缘微裂纹大；对于波长加工较短紫外激光(355nm)和绿光(532nm)虽然光斑较小，受到纳秒脉宽、高频率、较低激光器功率(＜50W)以及激光器价格昂贵等因素制约，加工效率低，加工厚度小于0.8mm。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，特点是：包含沿光路依次布置的激光器、准直镜、光束角度调整模块和第一分光系统，激光器是1070±10nm光纤脉冲激光器，第一分光系统的输出端布置有第一聚焦镜和第二分光系统，第二分光系统的输出端布置有第二聚焦镜和反射镜，反射镜的输出端布置有第三聚焦镜，所述第一聚焦镜、第二聚焦镜和第三聚焦镜正对于用于放置蓝宝石玻璃的三维平台。

进一步地，上述的红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，其中，所述三维平台上方布置有高分辨率辅助定位影像系统。

更进一步地，上述的红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，其中，所述三维平台旁设有同轴吹气与惰性气体保护装置。

本实用新型技术方案的实质性特点和进步主要体现在：

①采用经过优化的激光光束进行加工，通过分光提高激光功率的使用率，提升效率、降低成本，还可以降低其边缘崩边和热影响区域；解决了激光过程中的效率及效果问题；

②激光器具有很高的峰值功率和可调节范围比较广的脉宽，在与材料作用时利用瞬间高峰值功率热、较低占空比与材料发生高温烧蚀了去除物质，极大地减小热影响区域，获得较好的边缘效果，蓝宝石切割后的背面挂渣比较松软；

③扩大了激光在蓝宝石切割等方面取代传统加工方式的可能性，而相比于应用紫外激光、绿光激光、CO₂激光，本实用新型具有光斑小、效率高和成本低等优点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

图1：本实用新型的光路结构示意图；

图2：激光波形调整示意图。

具体实施方式

如图1所示，红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，包含沿光路依次布置的激光器1、准直镜2、光束角度调整模块3和第一分光系统4，激光器1是1070±10nm光纤脉冲激光器，第一分光系统4的输出端布置有第一聚焦镜7和第二分光系统5，第二分光系统5的输出端布置有第二聚焦镜8和反射镜6，反射镜6的输出端布置有第三聚焦镜9，第一聚焦镜7、第二聚焦镜8和第三聚焦镜9正对于用于放置蓝宝石玻璃的三维平台，三维平台上方布置有高分辨率辅助定位影像系统，高分辨率辅助定位影像系统由工业相机、高倍镜头(分辨率)和同轴电光源组成，实现高位置精度切割，并对切割过程进行实时监控。三维平台旁设有同轴吹气与惰性气体保护装置。

具体应用时，激光器1发出激光，经过准直镜2后形成平行光束，调整激光器内部的脉宽时间和峰值功率以及调整激光器出光波形，使有利于切割蓝宝石玻璃的方向发展，准直的目的主要是将激光器通过光纤的随机发散的红外激光校正成平行光光束；准直后光束经光束角度调整模块进行激光角度调整后入射进第一分光系统4，经第一分光系统4分成的光束分别进入第一聚焦镜7和第二分光系统5，第一聚焦镜7将激光汇聚聚焦在加工件10的表面，经第二分光系统5分成的光束分别进入第二聚焦镜8和反射镜6，第二聚焦镜8将激光汇聚聚焦在加工件10的表面，经反射镜6反射出的光进入第三聚焦镜9，第三聚焦镜9将激光汇聚聚焦在加工件10的表面；通过分光提高激光功率的使用率，最主要是提高加工效率和加工产能。激光高功率密度的光斑聚焦位于加工面表面附近，蓝宝石玻璃的加工厚度能够到达2.2mm；配合同轴吹气与惰性保护气体使用，蓝宝石玻璃切割完成后背面挂渣较少，热影响区也较小。

高分辨率辅助定位影像系统能够显示材料表面最清晰的位置，通过高分辨的影像识别定位位置，实现精准对位(由高精度的三维平台保证影像与聚焦镜相对于平台上的补偿值)和达到精确加工的目的。蓝宝石放在三维平台上，通过影像系统在显示屏上呈现清晰的像，由影像相对于蓝宝石的位置切换到聚焦镜相对其位置下；最后开始加工，由添加过滤光片的影像记录激光加工的整个过程，便于后续分析激光参数设置问题。使设备的整体切割精度控制在5um以内。

采用1070±10nm红外光纤激光器，具有高峰值功率、高单脉冲能量、更高的光电转换率、长脉宽等特点，与普通的连续光纤激光器相比，具有很高的峰值功率和可调节范围比较广的脉宽，在与材料作用时利用瞬间高峰值功率热、较低占空比与材料发生高温烧蚀了去除物质，使用这种方式可以极大地减小热影响区域；可以获得较好的边缘效果；蓝宝石切割后的背面挂渣比较松软。

如图2所示，对激光器内部波形的调整，将传统意义上的“平波”改为“尖波”，即获得瞬间的高峰值功率，较长的脉宽，同时由单脉冲能量提高到焦耳量级，瞬间保证激光将蓝宝石玻璃表面熔融或击穿。

综上所述，采用经过优化的激光光束进行加工，不仅可以提升效率、降低成本，还可以降低其边缘崩边和热影响区域。解决了激光过程中的效率及效果问题，同时也扩大了激光在蓝宝石切割等方面取代传统加工方式的可能性。相比于应用紫外激光、绿光激光、CO₂激光，本实用新型具有光斑小、效率高和成本低等优点。

需要理解到的是：以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，其特征在于：包含沿光路依次布置的激光器、准直镜、光束角度调整模块和第一分光系统，激光器是1070±10nm光纤脉冲激光器，第一分光系统的输出端布置有第一聚焦镜和第二分光系统，第二分光系统的输出端布置有第二聚焦镜和反射镜，反射镜的输出端布置有第三聚焦镜，所述第一聚焦镜、第二聚焦镜和第三聚焦镜正对于用于放置蓝宝石玻璃的三维平台。

2.根据权利要求1所述的红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，其特征在于：所述三维平台上方布置有高分辨率辅助定位影像系统。

3.根据权利要求1所述的红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置，其特征在于：所述三维平台旁设有同轴吹气与惰性气体保护装置。