CN209424743U - 一种激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光加工装置，包括激光器、全反射镜、扩束镜、调整机构、能量调节器及工控机。激光器能够发射激光光束，全反射镜用于改变激光束方向，扩束镜用于扩束及准直激光束，调整机构用于调整激光光束的偏振方向，以使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致，能量调节器可以调节透射过的激光功率，在沿不同晶向进行切割时可达到理想的功率。工控机与所述激光器，所述调整机构及所述能量调节器连接，用于控制所述激光器发射激光光束，控制所述调整机构调整激光偏振方向及控制所述能量调节器调节所述激光光束的功率。

Description

一种激光加工装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工装置领域，具体而言，涉及一种智能手机摄像头蓝宝石盖板的异形切割装置。

背景技术

蓝宝石晶体为氧化铝，属于三方晶系，六方结构，硬度很高，具有很好的透光性、热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风蚀的特点，纯净的人工蓝宝石晶体呈现透明无色。蓝宝石晶体的熔点很高，化学性质也非常稳定，作为一种重要的技术晶体，已被广泛地应用于科学技术、国防与民用工业、电子技术等许多领域。

近几年智能手机的摄像头盖板已经开始普遍使用蓝宝石晶体，但是蓝宝石晶体良好的物理和化学性质也为它的加工成型带来了困难，蓝宝石晶体高质量、高效率的加工方法已经成为了研究重点。目前使用广泛的加工方法是利用皮秒或飞秒超快激光器在透明脆性材料中的成丝效应，对玻璃、蓝宝石等硬而脆的透明材料进行切割，可以实现无锥度、几乎没有崩边的加工效果。蓝宝石晶体属于单晶，在不同的方向上存在不同的晶向，激光沿不同的晶向切割会有不同的效果，经过测试，不同的激光线偏振方向及不同的激光能量都会影响各个晶向的切割效果。工厂提供的待切割的蓝宝石晶片大多为长方形，沿长方形的长边为蓝宝石晶体的M晶向，沿短边为蓝宝石晶体的A晶向。当激光线偏振方向与切割轨迹保持一致时切割效果明显改善；沿蓝宝石晶体A晶向切割较M晶向切割需要更大的激光能量。

在传统的激光成丝切割方法中，当需要在蓝宝石晶体上切割异形图形例如圆形时，切割方向几乎一直在发生变化，而激光的线偏振方向始终保持不变，使得在沿M晶向与A晶向及介于它们之间的晶向进行切割时效果不一致，导致最终裂片后产品比较容易出现不良。采用本申请的加工装置及方法，可以保证在切割的同时使激光线偏振方向始终与切割方向保持一致，提高切割质量和切割效率。当沿着蓝宝石晶体不同晶向切割时，由于蓝宝石不同晶向的强度、对激光的吸收及与激光相互发生的反应不同，需要的激光能量也不同，采用本申请的加工装置及方法，可以在切割蓝宝石不同晶向的同时改变激光能量，整体改善切割质量。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供了一种激光加工装置，可以改变最终切割蓝宝石晶体的激光能量以适应沿不同晶向的切割，整体改善切割质量。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种激光加工装置，包括：

激光器，能够发射激光光束；

扩束镜，用于扩束和准直，以使所述激光光束的光斑扩大，同时使所述激光光束的发散减小；

设置于所述扩束镜的出射光路上的调整机构，用于调整激光光束的偏振方向，使得最终到工作台面的激光线偏振方向始终与切割轨迹保持一致；

设置于所述调整机构的出射光路上的能量调节器，所述能量调节器包括偏振分光棱镜(PBS)及驱动装置，所述驱动装置为气缸驱动器，PBS晶体安装在所述气缸驱动器上，所述气缸驱动器与所述工控机连接，所述工控机可控制气缸驱动器在需要时将PBS晶体送到激光光路中，不需要用时可收回到光路之外；

设置于所述能量调节器的出射光路上的切割头，用于将扩束后的光斑聚焦成能量密度极高的聚焦光斑，最终达到成丝切割的目的；以及

工控机，所述工控机包括主控制器及直流电源系统，所述主控制器与所述直流电源系统、所述调整机构、所述激光器及所述能量调节器连接，用于控制电机运行、控制激光器发光、监测电机控制状态，所述直流电源系统与所述主控制器、所述调整机构、所述能量调节器、所述激光器连接，用于为所述主控制器、所述调整机构、所述能量调节器、所述激光器提供电源。

在上述的激光加工装置中，激光通过PBS晶体，只有特定线偏振方向的分量可以透射过去，与之垂直的分量会发生反射，即透射过的激光光束的激光功率会随着入射激光光束的偏振方向的改变而改变，进而影响最终切割蓝宝石晶体的激光功率。

在其中一个实施例中，所述调整机构包括旋转电机及安装在旋转电机一端的半波片，所述旋转电机为中空的旋转电机，并可带动所述半波片旋转，所述半波片在激光光路上，可以改变激光光束的偏振方向。

在其中一个实施例中，所述调整机构还包括电机驱动器，所述电机驱动器与所述旋转电机及所述工控机连接，所述工控机能通过软件计算出运动轨迹角度的改变，根据映射关系计算出半波片应旋转的角度，并发出指令给所述电机驱动器，使旋转电机带动半波片旋转合适的角度，使得最终到工作台面的激光线偏振方向始终与切割轨迹保持一致。

在其中一个实施例中，所述调整机构还包括直线电机与所述电机驱动器及所述工控机连接，所述直线电机控制切割运动轨迹，其运动轨迹数据被所述工控机收集。

在其中一个实施例中，所述工控机包括电气控制部与工业控制部，所述工业控制部与所述电气控制部连接，所述工业控制部能检测与控制所述电气控制部，所述电气控制部可控制所述激光器、所述调整机构及所述能量调节器并为所述激光器、所述调整机构及所述能量调节器提供电源，所述工业控制部具有计算机属性和特征，可在加工特定图形时，通过软件计算出运动轨迹角度的改变，根据映射关系计算出半波片应旋转的角度，并发出指令给所述电气控制部。

在其中一个实施例中，所述激光器为皮秒红外激光器，波长1064nm，单脉冲宽度10ps左右，100kHz频率下平均功率为30W，激光出光口光斑4mm。

在其中一个实施例中，所述扩束镜扩束倍率为3X，扩束及准直后的光斑大小为12mm。

本申请涉及到一种激光加工装置，任何熟悉本领域的技术人员在本申请所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换方法、装置以及所应用的材料等，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

当激光在蓝宝石晶体上扫描外形进行切割的同时，工控机发出指令给电机驱动器驱动旋转电机带着安装好的半波片根据切割轨迹同步进行旋转，使激光线偏振方向始终与切割轨迹保持一致，进而完成更高质量、更高效率的切割。在激光光路中，在旋转电机后放置一个PBS，当线偏振方向的激光通过PBS时，可以透射过的激光能量会随着偏振方向的改变而改变，进而影响最终切割蓝宝石晶体的激光能量，在沿不同晶向进行切割时可以使用更适合的激光能量。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对本实用新型范围的限定。

图1是本实用新型实施例提供的一种线偏振光通过半波片时偏振方向发生改变的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种激光通过PBS晶体时特定线偏振方向的激光的反射与透射情况示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种蓝宝石激光加工装置的结构示意图；

图4为图3所示的蓝宝石激光加工装置局部结构的模块框图。

图中：300-调整机构；301-激光器；302-全反射镜；303-扩束镜；304- 旋转电机；305-能量调节器；306-切割头；307-作业平台；308-直线电机； 309-电机驱动器；400-工控机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

请一并参考图1至图4。本实用新型实施例的激光加工装置包括激光器 301、45°全反射镜302、扩束镜303、调整机构300、PBS晶体、切割头306、加工平台及控制组件，激光器301用于发射激光，激光光束经过45°全反射镜两次反射后射入扩束镜被放大与准直，随后经过调整机构300与PBS晶体后，经由切割头306聚焦为落在工作台面内的激光光斑。

激光器301为皮秒红外激光器，发射出的激光光束为线偏振光，激光器301的脉冲波长为1064nm，单脉冲宽度为10ps左右，100kHz频率下平均功率为30W，激光出光口光斑直径为4mm。在其他实施例中，激光器301 可以为其他种类，如二氧化碳激光器等，激光器301的脉冲波长及功率都可以根据实际加工产品确定。

45°全反射镜302设置于激光器出射光路，用于改变激光束方向，以使激光入射到扩束镜。具体的，45°全反射镜302利用光从光密介质射入到光疏介质时，当入射角大于临界角C时，只产生反射而不产生折射的现象，大大减小了光传播时的损伤。

扩束镜303用于扩束及准直激光，扩束镜303扩束倍率为3X，扩束及准直后的光斑大小为12mm。

调整机构300用于调整激光光束的偏振方向，以使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向一致。具体的，调整机构300包括旋转电机304，直线电机308及电机驱动器309，电机驱动器309与旋转电机304，直线电机308及工控机400均连接，工控机400能根据激光光束的加工方向确定电机驱动器309的脉冲数，电机驱动器309是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它能驱动旋转电机304旋转与脉冲数对应的角度，及驱动直线电机308的直线运动。电机驱动器309可以外置与电机，也可以内置于电机，还可以省略掉，由工控机400直接控制电机运动。

旋转电机304为伺服电机，电机一端安装并固定一片圆形的半波片。旋转电机304与工作平台的直线电机308共用一套控制系统，连接同一电机驱动器309及工控机400。在加工特定图形时，通过工控机400的软件计算出运动轨迹角度的改变，根据映射关系计算出半波片应旋转的角度，并发出指令给电机驱动器309再到旋转电机304，从而旋转电机304能够带动半波片旋转合适的角度，使得最终到工作台面的激光线偏振方向始终与切割轨迹保持一致。

半波片是一种具有一定厚度的双折射晶体，能够对线偏振光的偏振方向进行旋转，由半波片透射出来的光仍然是线偏振光。假如入射时的激光光束的振动面与半波片晶体主截面之间的夹角为θ，则经过半波片后透出来的激光光束的振动面相对于入射时的激光光束的振动面旋转了2θ角度。这里所说的晶体主截面指的是晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面，当θ角为锐角或等于0°时，入射时激光光束的振动面与晶体主截面之间的夹角等于入射时激光光束的振动面与晶体光轴之间的夹角。值得一提的是，晶体光轴不同于几何光学中的光轴，晶体光轴是各向异性晶体内的一个方向，光束在这个方向传播时不会发生双折射。

因此，在本实施例中，通过旋转半波片，便能改变激光光束的偏振方向。除了这种方式，在其他实施例中，还可以借助两个平面镜及旋转其中一个平面镜的转折器来改变激光光束的偏振方向。又或者，采用四分之一半波片和相位延迟镜将线偏振光转换为圆偏振光。

能量调节器305，用于调节透射过的激光的功率，以达到用理想功率进行切割的效果。

在本实用新型实施例中，能量调节器305包括PBS晶体和驱动装置， PBS晶体通过物理接触固定于驱动装置上。PBS晶体是一种将一束入射光分成传播方向互相垂直的两束光的光学元件，分出的两束光都是线偏振光，且偏振方向互相垂直。PBS晶体安装在通过气缸驱动的驱动装置上，当需要用时所述驱动装置将PBS晶体送到激光光路中，不需要用时收回到光路之外。能量调节器305与工控机400连接，在激光光路中，当线偏振方向的激光通过PBS时，可以透射过的激光功率会随着偏振方向的改变而改变，进而影响最终切割蓝宝石晶体的激光功率。在沿不同的晶向进行切割时通过工控机400的软件计算轨迹及驱动旋转电机旋转可以调节透射过的激光功率，以达到用理想功率进行切割的效果。

切割头306，在本实施例中，切割头306为一聚焦透镜组，用于透明脆性材料成丝切割，成丝效应就是皮秒或飞秒激光脉冲在空气介质中传输时，由于自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用而达到一种动态平衡，使得皮秒或飞秒超快激光脉冲在空气中形成很长的、较为稳定的激光通道。所述切割头306，用于将扩束后的12mm光斑聚焦成能量密度极高的聚焦光斑，通过上下移动Z轴使聚焦光斑处于材料内部，形成成丝效应，最终达到成丝切割的目的。

作业平台307，成丝切割的靶材装载处，所述作业平台307为固定于交叉连接的直线电机308上的平面加工板，切割时，所述工控机控制直线电机308带动作业平台307按切割轨迹移动，同时工控机通过软件计算运动轨迹角度的改变，根据映射关系计算出半波片应旋转的角度，并发出包含脉冲数信息的指令给电机驱动器309，电机驱动器309控制旋转电机304旋转与脉冲数对应的角度，以使得最终到作业平台307的激光线偏振方向始终与切割轨迹保持一致。

电机驱动器309，与工控机400及旋转电机304与直线电机308连接，用于接收工控机400的指令，驱动旋转电机304及直线电机308按照工控机400发出的指令完成相应动作。

工控机400，包括主控制器及直流电源系统，所述主控制器包括处理器、大规模逻辑电路、内存、计算机及控制面板部分，所述主控制器与所述直流电源系统、所述调整机构、所述激光器及所述能量调节器连接，用于控制电机运行、控制激光器发光、监测电机控制状态，所述直流电源系统与所述主控制器、所述调整机构、所述能量调节器、所述激光器连接，用于为所述主控制器、所述调整机构、所述能量调节器、所述激光器提供电源。

在线偏振光加工过程中往往存在一个问题；金属材料对激光的吸收率与激光的偏振有很大的影响。当激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向一致时，金属材料对激光的吸收率最高，当激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向垂直时，金属材料对激光的吸收率最低。在产品上表现为，当激光束的偏振方向与激光光束的加工方向一致时，加工出来的线槽较深。

面对本实施例的激光加工装置而言，调整机构300具有调整光束偏振方向的功能，从而在不同的激光加工方向上，调整机构300都能使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致，进而能够保证在激光加工时各方向的加工效果一致，提高了加工精度。而且，在加工相同深度的线槽的情况下，与传统的激光光束的偏振方向不同于激光加工方向的装置相比，本实施例的激光加工装置所需能量更小，加工效率更高。

在本实施例中，能量调节器305可由驱动装置驱动PBS晶体进出激光光路。蓝宝石晶体属于单晶，在不同的方向上存在不同的晶向，激光沿不同的晶向切割会有不同的效果，经过测试，不同的激光线偏振方向及不同的激光功率都会影响各个晶向的切割效果，具体来说，沿蓝宝石晶体A晶向切割较M晶向切割需要更大的激光功率。在沿不同晶向进行切割时，通过工控机400的软件计算轨迹及驱动旋转电机旋转可以调节透射过的功率，以达到用理想功率进行切割的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光光束；

调整机构，用于调整激光光束的偏振方向，以使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致；

能量调节器，用于调节所述激光光束的功率；

切割头，用于聚焦经过所述能量调节器调节功率的激光光束；以及

工控机，与所述激光器，所述调整机构及所述能量调节器连接，所述工控机控制所述激光器发射激光光束，控制所述调整机构调整激光偏振方向及控制所述能量调节器调节所述激光光束的功率。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述调整机构包括旋转电机及半波片，所述旋转电机与所述半波片连接并用于带动所述半波片旋转，所述半波片为固定厚度的双折射晶体，用于对垂直入射的线偏振光进行旋转。

3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述调整机构还包括电机驱动器，所述电机驱动器与所述旋转电机及所述工控机连接，所述工控机根据激光光束的加工方向控制所述电机驱动器驱动所述旋转电机旋转。

4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，所述调整机构还包括与所述电机驱动器及所述工控机连接，用于装设待切割的对象的直线电机，所述工控机控制所述电机驱动器驱动所述直线电机带动待切割的晶体沿着切割轨迹运动。

5.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述能量调节器包括偏振分光棱镜及驱动装置，所述驱动装置与所述偏振分光棱镜及所述工控机连接，所述工控机控制所述驱动装置将所述偏振分光棱镜移入及移出激光光路，所述偏振分光棱镜用于调节透射过的激光功率。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，所述工控机包括主控制器及直流电源系统，所述主控制器与所述直流电源系统、所述调整机构、所述激光器及所述能量调节器连接，用于控制电机运行、控制激光器发光、监测电机控制状态，所述直流电源系统与所述主控制器、所述调整机构、所述能量调节器、所述激光器连接，用于为所述主控制器、所述调整机构、所述能量调节器、所述激光器提供电源。

7.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光器为皮秒红外激光器，所述激光器脉冲波长为1055-1075nm，单脉冲宽度在10ps以内。

8.根据权利要求6所述的激光加工装置，其特征在于，还包括扩束镜，所述扩束镜设置于所述激光器的出射光路上，用于扩束与准直激光光束。

9.根据权利要求8所述的激光加工装置，其特征在于，还包括全反射镜，所述全反射镜设置于所述激光器与所述扩束镜之间及所述偏振分光棱镜及所述切割头之间的激光光路中。

10.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述切割头包括可移动的用于将扩束后的光斑聚焦成聚焦光斑的聚焦透镜组。