CN216097032U - 一种低透过率脆性材料激光切割系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种低透过率脆性材料激光切割系统，包括激光器系统、激光光束整形系统、激光切割头系统和自动化工件台系统；所述高功率激光器系统出射的激光束进入所述光束整形系统后，经过三个反射镜反射进入超快激光切割头系统；其中所述光束整形系统改变激光束的光束质量，光斑直径和空间能量分部。本实用新型系统结构简单，光路装调容易，方便系统集成，通过激光系统和光学系统的良好设计匹配，实现了低透过率脆性材料的单次切割成型，提高了加工质量和加工效率，极大降低工业成本。

Description

一种低透过率脆性材料激光切割系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，尤其涉及用于低透过率脆性材料的超快激光加工系统。

背景技术

超快激光的脆性材料加工技术作为一门涉及光、机、电、算以及材料等多学科技术，已经逐步代替了传统CNC(数控铣床)的加工方法，成为了脆性材料加工方式的主流。目前针对普通的脆性材料，如超白玻璃，钠钙玻璃，蓝宝石等，激光切割方法已经日趋成熟，这一类玻璃有一个共同的特点，就是该类材料的激光透过率非常高，切割时光束能量损失比较小，因此对于厚度较厚材料也可以实现切割。但是由于脆性材料多种多样，市场上有很大一部分脆性材料为满足一定的光学特性，或者物理化学特性，需要对玻璃进行掺杂处理，比如各种吸收型滤光片，汽车挡风玻璃，各种窗口片，保护镜片等等。经过掺杂处理后的脆性材料对于红外波段的激光透过率极低，传统的脆性材料激光切割设备已经无法实现厚度超过1mm或者2mm的特殊脆性材料切割。目前主流的方法是使用纳秒绿光层扫的方式，一层一层将材料去除，由于材料厚度都在毫米水平，层扫的方式每层只能去除十几个微米，因此加工较厚样品时间极长，效率极低，并且层扫的方式崩边要大于100μm，这完全达不到很多精密消费电子类元器件的崩边要求，因此绿光纳秒层扫的方式在低透过率脆性材料的加工上受到了极大的限制，并且绿光层扫系统需要二维振镜和场镜相互配合，该系统结构复杂，调试难度大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述技术缺陷，提供一种有一定厚度的低透过率脆性材料加工系统，解决现有激光切割系统存在的加工效率低、加工精度不高、系统复杂等问题。

为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种低透过率脆性材料激光切割系统，包括激光器、扩束器、第一反射镜、光束整形器、第二反射镜、第三反射镜、激光切割头、加工平台、X方向电机、Y方向电机及Z方向电机；所述激光器输出脉冲激光束，经由所述扩束器后，使激光束的光斑直径增加，同时改善激光束的发散角，该激光束经第一反射镜传输至所述光束整形器之后，根据实际需要，重新组合光斑能量分布的激光束照射到所述第二反射镜上，激光经过所述第二反射镜进入所述第三反射镜，光束需要保证相对于运动方向X准直，准直由所述第一反射镜和所述第二反射镜调节；沿与平台的飞行光路成水平关系出射的激光束经过所述第三反射镜进入所述激光切割头，其光斑为有结构的聚焦环形光斑，所述工件台的载物台面上放置被加工件，所述激光切割系统的聚焦激光束照射到被加工件的表面上，所述X方向电机、Y方向电机和Z方向电机构成三维平面位移系统。

作为本实用新型的进一步改进，所述还包括机器视觉系统，所述机器视觉系统设置在加工平台上，通过机器视觉系统实现全自动识别加工过程。

作为本实用新型的进一步改进，所述激光器为高功率皮秒激光器，单脉冲能量大于1.5mJ。

作为本实用新型的进一步改进，所述激光器具有低重复频率，频率小于1MHz，高峰值功率，峰值功率大于等于0.1MW，窄线宽，线宽小于30nm。

作为本实用新型的进一步改进，所述加工平台定位精度小于10微米。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供一种低透过率脆性材料激光切割系统，包括激光器系统、激光光束整形系统、激光切割头系统和自动化工件台系统；其中：激光器系统为高功率超快激光器系统，即单脉冲能量大于1mJ；激光光束整形系统为超快激光光束整形系统，即单脉冲能量大于1mJ；激光切割头系统为超快激光切割头系统，即单脉冲能量大于1mJ；

所述激光器系统出射的激光束进入所述激光光束整形系统后，经过三个反射镜反射进入激光切割头系统；其中所述激光光束整形系统改变激光束的光束质量，光斑直径和空间能量分部。所述反射镜搭建在二维平移台上，可以进行光束的反射和光束的平移，所述激光切割头系统可实现超快激光有结构地在焦点处聚焦(正常聚焦是一个点，就是圆斑，但是为了实现切割一定厚度，这里通过光学方法将光斑聚焦成一条线，结构指的就是这条线)，利用光束成丝的原理将焦点拉长，使焦点在平行于光轴方向有毫米量级的范围。本实用新型实现了低透过率脆性材料的单次切割成型，现有的低透过率脆性材料，如经过掺杂的汽车玻璃、滤光片等，在厚度超过2mm以后，无法采用传统的红外超快激光切割方法，只能采用纳秒绿光层扫的方式进行切割，速度慢，崩边大。本实用新型系统结构简单，光路装调容易，方便系统集成，切割厚度大，切割精度高，加工效率高。通过激光系统和光学系统的良好设计匹配，实现了低透过率脆性材料的单次切割成型，提高了加工质量和加工效率，极大降低工业成本。

附图说明

图1是本实用新型低透过率脆性材料激光切割系统示意图；

图2是图1的光路图；

图3是本实用新型光束扩束系统和整形系统实现激光束调制示意图；

图4是本实用新型低透过率脆性材料样品切割测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

说明：一种低透过率脆性材料激光切割系统，其中：

低透过率：红外波段透过率小于40％；

脆性材料：玻璃，蓝宝石等等这一类材料；

本实用新型的激光切割系统为精度达到微米量级切割系统。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种低透过率脆性材料激光切割系统，包括激光器01、扩束器02、第一反射镜03、光束整形器04、第二反射镜05、第三反射镜06、激光切割头07、机器视觉系统08(根据实际需要选装)、加工平台09、X方向电机010、Y方向电机011及Z方向电机012；

所述激光器01为后续光路提供光源，具有低重复频率(小于1MHz)、高峰值功率(峰值功率大于等于0.1MW)、窄线宽的超快脉冲激光束(线宽小于30nm)，较佳地，所述激光器为高功率皮秒激光器，单脉冲能量大于1.5mJ；

所述扩束器02用于将所述激光器01出射的激光束扩展并降低激光束的发散角，较佳地，所述扩束器为变倍系统，其目的用于后续光路获取最佳的激光束光斑，根据样品不断调试，不同样品会有一个适合该样品的光斑大小等参数，调试到切割效果最好，就是最佳的光斑；

所述光束整形器04用于将高斯光强分布的激光束进一步优化，或者根据实际需要，重新组合成平顶均匀分布的激光束，激光束通过所述光束整形镜只改变激光束光能量的分布态势，并不改变激光束的光斑外形，故整形后的激光束仍为圆形光斑，且为边缘轮廓更为清晰，另外，激光的传播方向始终与系统的光轴保持水平；

所述激光切割头07将整形过的光斑通过激光切割头内部的光学组件，将激光有结构地聚焦，利用贝塞尔光学原理，实现光轴方向上毫米以上的焦点深度，并且可以通过调整入射光斑大小，实现焦深大小的微调；激光入射光斑直径要满足所述超快激光加工头对光斑直径的要求；

所述加工平台09用于将被加工件放置其上，且所述加工平台09为本激光切割系统的基准面，较佳地，所述加工平台09为精密二维移动平台(定位精度小于10微米)，用于实现大幅面激光精密加工，其定位精度控制在微米量级。

所述激光器01输出脉冲激光束，经由所述扩束器02后，使激光束的光斑直径增加(根据样品确定具体的直径)，同时改善激光束的发散角，该激光束经第一反射镜03传输至所述光束整形器04之后，根据实际需要，重新组合光斑能量分布的激光束照射到所述第二反射镜05上，激光经过所述第二反射镜05进入所述第三反射镜06，在这个路径上由于有飞行光路的存在，光束需要保证相对于运动方向(X)准直，准直由所述第一反射镜03和所述第二反射镜05调节。沿特定角度(与平台的飞行光路成水平关系)出射的激光束经过所述第三反射镜06进入所述激光切割头07，其光斑为有结构的聚焦环形光斑，所述工件台09的载物台面上放置被加工件，因此所述激光切割系统的聚焦激光束照射到被加工件的表面上，所述X方向电机010、Y方向电机011和Z方向电机012构成三维平面位移系统，可实现样品的移动控制功能。所述机器视觉系统08是根据实际加工需要进行选装，通过机器视觉系统08可实现全自动识别加工过程，不需要人工对位。

如图3所示，所述激光器01输出高斯激光脉冲11，所述高斯激光脉冲11进入所述扩束系统12，得到光斑直径扩大的所述高斯激光脉冲13，所述激光脉冲13进入所述光学整形系统14，将激光束的光强能量分布进行重新组合，得到能量分布均匀的平顶光，即所述激光脉冲15，对于不同样品的不同加工需求，激光的光束整形需求也不尽相同，需要根据实际样品来判断需不需要光束整型，或者需要何种光束整形方案。另外，激光束能量重组前后，如果不考虑光学元件透过率的因素，激光脉冲的总能量不变，改变的只是光斑大小和光斑的能量分布。

如图4所示，通过图1所述的激光切割系统，对低透过率脆性材料进行了切割测试。在图4中，所述的三种不同厚度的低透过率脆性材料21、22和23，对应的厚度分别为：2.1mm、2.3mm和2.5mm，在1064nm对应的透过率分别为：39％、33.2％和29.24％。针对这个厚度和透过率水平的脆性材料(玻璃)，目前还没有设备可以进行切割。通过本实用新型实现了厚度大于2mm的低透过率材料的无损切割，崩边小于20μm。在此基础上，还实现了异形切割(带R角的圆弧)，所述样品24、25所示，这是传统CNC切割方式等无法实现的。本实用新型不止实现了低透过率材料的无损切割，还极大地提高了切割速度，对于所述样品21、22和23，可实现大于0.4m/s的切割速度。

本实用新型通过所述高功率激光器输出高能量，光学扩束整形系统整形激光脉冲，以及超快激光切割头的长焦深配合，实现了低透过率脆性材料的无损、高速加工，能够极大提高该类材料在工业制成上的效率，并且降低企业成本，推动了该类材料加工方法的进一步发展。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种低透过率脆性材料激光切割系统，其特征在于：包括激光器(01)、扩束器(02)、第一反射镜(03)、光束整形器(04)、第二反射镜(05)、第三反射镜(06)、激光切割头(07)、加工平台(09)、X方向电机(010)、Y方向电机(011)及Z方向电机(012)；所述激光器(01)输出脉冲激光束，经由所述扩束器(02)后，使激光束的光斑直径增加，同时改善激光束的发散角，该激光束经第一反射镜(03)传输至所述光束整形器(04)之后，根据实际需要，重新组合光斑能量分布的激光束照射到所述第二反射镜(05)上，激光经过所述第二反射镜(05)进入所述第三反射镜(06)，光束需要保证相对于运动方向X准直，准直由所述第一反射镜(03)和所述第二反射镜(05)调节；沿与平台的飞行光路成水平关系出射的激光束经过所述第三反射镜(06)进入所述激光切割头(07)，其光斑为有结构的聚焦环形光斑，所述加工平台(09)的载物台面上放置被加工件，所述激光切割系统的聚焦激光束照射到被加工件的表面上，所述X方向电机(010)、Y方向电机(011)和Z方向电机(012)构成三维平面位移系统。

2.根据权利要求1所述的一种低透过率脆性材料激光切割系统，其特征在于：还包括机器视觉系统(08)，所述机器视觉系统(08)设置在加工平台(09)上，通过机器视觉系统(08)实现全自动识别加工过程。

3.根据权利要求1所述的一种低透过率脆性材料激光切割系统，其特征在于：所述激光器(01)为高功率皮秒激光器，单脉冲能量大于1.5mJ。

4.根据权利要求1所述的一种低透过率脆性材料激光切割系统，其特征在于：所述激光器(01)具有低重复频率，频率小于1MHz，高峰值功率，峰值功率大于等于0.1MW，窄线宽，线宽小于30nm。

5.根据权利要求1所述的一种低透过率脆性材料激光切割系统，其特征在于：所述加工平台(09)定位精度小于10微米。

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