CN214024057U

CN214024057U - 一种透明材料的加工装置

Info

Publication number: CN214024057U
Application number: CN201821475487.9U
Authority: CN
Inventors: 蒋仕彬
Original assignee: Hangzhou Yinhu Laser Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Yinhu Laser Technology Co ltd
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2028-09-10

Abstract

本实用新型公开了一种透明材料的加工装置，由绿光激光器、聚焦透镜和焦点调整机构组成，其特征在于：所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；所述绿光经聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置，所述透明材料采用机械夹具夹持，所述机械夹具连接在固定式工作平台或者移动平台上。本实用新型提高了加工速度。

Description

一种透明材料的加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种透明材料的加工装置，具体涉及一种用于透明材料的激光加工装置。

背景技术

玻璃和蓝宝石透明材料已经成为了人们日常生活中不可缺少的一部分，随着经济的发展，对玻璃制品的需求量与日俱增。在玻璃和蓝宝石的生产工业中，玻璃和蓝宝石加工是一个十分重要环节。

一般来说，玻璃和蓝宝石加工（冷加工）主要包括抛光、切割、钻孔、雕刻、磨边等。为了工业化实现上述玻璃和蓝宝石加工的目的，现有技术中采用的加工方法主要有机械加工方法、化学加工方法（主要用于抛光和刻蚀）、高压水射流加工方法（主要用于切割和钻孔）和激光加工方法。在这当中，激光加工方法在加工速度和自动化程度方面都要远远优于其它的方法。

传统的激光玻璃和蓝宝石加工运用的是波长在10.6μm附近的CO₂激光器，其输出功率一般需要达到100W以上。CO₂激光器加工玻璃和蓝宝石是通过激光入射使玻璃受热后发生断裂而实现的。以平板玻璃的切割为例，将CO₂激光器发出的激光束聚焦到平板玻璃上，高功率的激光使得玻璃在激光的焦点位置受热发生断裂，裂缝向玻璃的上下表面延伸从而完成切割。在受热切割的过程中，通常需要使用淬火嘴将冷水或冷气喷射到切割道上，使玻璃裂开。这种方法切割精度较低，同时难以加工复杂图形。

运用波长在532nm附近（绿光）的脉冲输出自由空间固体激光器进行玻璃和蓝宝石加工可以达到更好的加工效果。与传统的CO₂激光器不同，这种绿光激光器是通过微爆破的方式实现玻璃加工的。同样以平板玻璃的切割为例，通过3D扫描振镜可以使绿光激光的焦点在竖直方向上移动，在激光焦点经过的地方，玻璃会发生微米量级的爆破，这种微小损伤在竖直方向上叠加从而实现了精度更高的切割。

然而，上述的这种绿光激光器在玻璃和蓝宝石加工方面还存在着一些缺陷。首先，自由空间的固体激光器并不稳定。这是因为，自由空间的固体激光器的内部是通过反射镜片来控制光路的，当外部环境出现一定的振动或其它干扰则会在一定程度上影响激光的输出。其次，现有的这种自由空间固体的绿光激光器输出脉冲的频率是无法突破100KHz的（当脉冲重复频率增加到接近100KHz或高于100KHz时，输出脉冲的宽度将会增加）。这也限制了利用此类绿光激光器实现更快速度的玻璃和蓝宝石加工。玻璃和蓝宝石激光加工的效率受到限制，加工速度受限制就意味着加工成本比较高。

因此，需要设计一种新的透明材料的加工装置，在保证加工精度的前提下，提高加工速度。

发明内容

本实用新型的发明目的是提供一种透明材料的加工装置，以克服现有技术中加工速度受限的问题，提高激光透明材料加工的精度和速度。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种透明材料的加工装置，由绿光激光器、聚焦透镜和焦点调整机构组成，所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；所述绿光经聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置，所述透明材料采用机械夹具夹持，所述机械夹具连接在固定式工作平台或者移动平台上。

上述技术方案中，脉冲输出绿光激光是运用波长在1μm附近的光纤激光器通过倍频后得到的。输出绿光的脉冲串, 每一脉冲串里包括至少两个激光脉冲，脉冲宽度小于10ns，脉冲的峰值功率大于5KW, 各脉冲串里的每一激光脉冲间的时间小于120ns, 脉冲串间的间隔时间大于300ns。第一个脉冲作用到材料上使材料发生微米量级(5~50微米) 的爆破, 产生材料去除并增加周围材料的温度。在周围材料的热量被释放之前，第二脉冲到达并进一步快速增加周围材料的温度，然后产生更多材料去除。第三个脉冲可以利用前面两个脉冲的余热，有效地产生更多材料去除，以此类推，这种脉冲串可以大大提高材料去除效率。热扩散需要微秒的时间水平，但是随后的脉冲通常在十几纳秒左右到达。脉冲串的典型脉冲间隔为十几纳秒，远小于热扩散所需的微秒时间。因此可以有效地利用来自前一脉冲的余热。脉冲串里的激光脉冲数可以是2个、3个、4个、5个，甚至50个。

每一秒的总脉冲数大于100000个；其中，光纤激光器输出的激光束只采用光纤放大器进行能量放大；这种以光纤激光器为基础的激光系统比自由空间的固体激光器拥有更高的稳定性，输出激光的光谱范围为510nm～545nm。加工的透明材料可以是建筑玻璃、基板玻璃、增强玻璃、钢化玻璃、光学玻璃、石英玻璃、超薄玻璃、蓝宝石、晶体材料、半导体和塑料, 等。透明材料的厚度可以为0.005mm到150mm。

上述技术方案中，所述焦点调整机构包括扫描振镜，所述扫描振镜在光路中位于绿光脉冲串激光器的输出和聚焦透镜之间。

所述扫描振镜是二维振镜、2.5维振镜、或者三维振镜中的一种。

或者，所述绿光脉冲串激光器和所述聚焦透镜构成光学头，所述焦点调整机构包括光学头位置调整机构，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，该光学头位置透整机构使光学头具有X轴、Y轴、Z轴平移的自由度。

或者，所述焦点调整机构包括放置待加工的透明材料的平台，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，所述焦点调整机构使所述平台具有X轴、Y轴平移的自由度，所述聚焦透镜和所述平台之间具有沿Z轴相对运动的自由度。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型中绿光激光器输出的是脉冲串, 第一个脉冲作用到材料上使材料发生微米量级(5~50微米) 的爆破, 产生材料去除并增加周围材料的温度。在周围材料的热量被释放之前，第二脉冲到达并进一步快速增加周围材料的温度，然后产生更多材料去除，这种脉冲串方式可以大大提高材料去除效率。

2、本实用新型中绿光脉冲串激光器采用光纤激光器产生种子激光，经光纤放大器进行能量放大后进行光学倍频获得，光纤放大器输出后激光不再进行任何形式的能量放大，不再使用自由空间的固体，在倍频晶体中激光是一次性通过，没有来回振荡，因此激光输出可以非常稳定，由此保证了材料加工的精度，可以用于加工各种复杂图案。

3、本实用新型的光纤绿光脉冲串激光器输出光的每一秒的总脉冲数大于100000个，在多数情况下每一秒的总脉冲数大于600000个，从而在保证了加工速度。

4、当仅采用聚焦透镜而不采用扫描振镜时，由于采用光纤激光器，本实用新型的装置比较轻便，可以安装在移动设备上。

附图说明

图1是本实用新型实施例中绿光脉冲串激光器的结构框架示意图；

图2是本实用新型实施例一的结构示意图；

图3是本实用新型实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见图2所示，一种透明材料的加工装置，由绿光脉冲串激光器、扫描振镜、聚焦透镜组成，参见图1，所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；所述绿光脉冲串经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置。

本实施例中，扫描振镜是三维振镜，绿光激光的重复频率是每一秒的总脉冲数大于300,000个，脉冲串里的激光脉冲数是2个,脉冲串里的每一激光脉冲间的时间是15ns，光斑直径是20微米。在绿光脉冲串的移动过程中激光光斑的重叠率是50%，因此激光在振镜的带动下以1.5米/秒的速度前移。在透明材料上钻孔时，每转一周，产生几十微米厚度的切割。通过移动振镜而将切割推进，实现高效率钻孔。

本实施例中，透明材料由机械夹具夹持后固定在工作平台上。

实施例二：参见附图3所示，一种透明材料的加工装置，由绿光脉冲串激光器、聚焦透镜组成，参见图1，所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；所述绿光脉冲串由聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置。

本实施例中，脉冲串激光被透镜聚焦在透明材料上，透镜安装在移动带上，通过移动透镜而实现线状切割。每一秒的总脉冲数900,000个，脉冲串里的激光脉冲数是3个, 脉冲串里的每一激光脉冲间的时间是15ns，光斑直径是20微米，重叠率是40%，激光以每秒3.6米的速度前移, 激光在透明材料表面产生去除。实现透明材料的高速切割。

本实施例中，透明材料由机械夹具夹持后固定在移动平台上，可以进一步改变透明材料和光学头的相对位置。

Claims

1.一种透明材料的加工装置，由绿光脉冲串激光器、聚焦透镜和焦点调整机构组成，其特征在于：所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；所述绿光经聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置，所述透明材料采用机械夹具夹持，所述机械夹具连接在固定式工作平台或者移动平台上。

2.根据权利要求1所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述焦点调整机构包括扫描振镜，所述扫描振镜在光路中位于绿光脉冲串激光器的输出和聚焦透镜之间。

3.根据权利要求2所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述扫描振镜是二维振镜、2.5维振镜、或者三维振镜中的一种。

4.根据权利要求1所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述绿光脉冲串激光器和所述聚焦透镜构成光学头，所述焦点调整机构包括光学头位置调整机构，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，该光学头位置透整机构使光学头具有X轴、Y轴、Z轴平移的自由度。

5.根据权利要求1所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述焦点调整机构包括放置待加工的透明材料的平台，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，所述焦点调整机构使所述平台具有X轴、Y轴平移的自由度，所述聚焦透镜和所述平台之间具有沿Z轴相对运动的自由度。