紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置及方法，包含沿光路依次布置的激光器、準(zhǔn)直鏡、光束角度調(diào)整模塊和第一分光系統(tǒng)，激光器是1070±10nm光纖脈沖激光器，第一分光系統(tǒng)的輸出端布置有第一聚焦鏡和第二分光系統(tǒng)，第二分光系統(tǒng)的輸出端布置有第二聚焦鏡和反射鏡，反射鏡的輸出端布置有第三聚焦鏡，第一聚焦鏡、第二聚焦鏡和第三聚焦鏡正對于用于放置藍(lán)寶石玻璃的三維平臺。采用經(jīng)過優(yōu)化的激光光束進(jìn)行加工，通過分光提高激光功率的使用率，提升效率、降低成本，還可以降低其邊緣崩邊和熱影響區(qū)域；具有光斑小、效率高和成本低等特點(diǎn)。
【專利說明】紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)寶石玻璃在電子產(chǎn)品和LED照明等行業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。藍(lán)寶石玻璃，成分是單晶氧化鋁，通過人工合成，長晶錠形成，莫氏強(qiáng)度為9。相比普通硅酸鹽玻璃，其硬度高，主要用于制作高檔手表的表鏡。
[0003]藍(lán)寶石玻璃有著良好的熱特性、電氣特性和介電特性，并且防化學(xué)腐蝕,耐高溫，導(dǎo)熱性好，透紅外。因此常用來代替其他光學(xué)材料制作光學(xué)元件、透紅外線光學(xué)窗片，并被廣泛地應(yīng)用于紅外以及遠(yuǎn)紅外軍用裝備方面，如:應(yīng)用于夜視紅外和遠(yuǎn)紅外瞄準(zhǔn)鏡、夜視攝像機(jī)等儀器和衛(wèi)星、空間技術(shù)的儀器儀表中以及用作高功率激光器的窗口、各種光學(xué)鏡片、透鏡、低溫實(shí)驗(yàn)的觀察口，在航海航天航空用高精密儀器儀表方面得到應(yīng)用。
[0004]近兩年觸屏手機(jī)對藍(lán)寶石的需求量有所增加，體現(xiàn)在手機(jī)鏡頭玻璃，Home按鍵以及主屏幕蓋板上。LED燈絲封裝用的透明藍(lán)寶石支架也在興起。
[0005]機(jī)械加工至今被認(rèn)為是最為可靠和理想的加工手段，可以滿足高尺寸精度以及高表面光潔度的成品要求。但是對于硬度僅次于金剛石的藍(lán)寶石來說，高額的加工成本以及較長加工周期導(dǎo)致藍(lán)寶石成本價格居高不下；而機(jī)械磨削加工后，藍(lán)寶石表面殘余應(yīng)力以及塑性變形已經(jīng)成為影響加工藍(lán)寶石玻璃成品質(zhì)量的主要問題。
[0006]激光加工采用聚焦獲得高功率光能量到材料表面，使局部材料加熱、熔化、分解、氣化，實(shí)現(xiàn)對材料的去除，對外界環(huán)境要求不高，其加工質(zhì)量取決于使用的工藝參數(shù)、材料的光學(xué)和熱學(xué)特性。激光加工具有非接觸性、柔性化，高效率、易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制點(diǎn)，易于CNC機(jī)床集成實(shí)現(xiàn)三維加工、基本無損耗和低成本的優(yōu)勢。
[0007]相比C02激光器加工，由于其波長較長、受到透鏡像差、衍射等因素的制約，加工出來的光斑(含熱影響區(qū))都將近lOOum，加工出來的藍(lán)寶石邊緣微裂紋大；對于波長加工較短紫外激光(355nm)和綠光(532nm)雖然光斑較小，受到納秒脈寬、高頻率、較低激光器功率(< 50W)以及激光器價格昂貴等因素制約，加工效率低，加工厚度小于0.8_。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置及其方法。
[0009]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0010]紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置，特點(diǎn)是:包含沿光路依次布置的激光器、準(zhǔn)直鏡、光束角度調(diào)整模塊和第一分光系統(tǒng)，激光器是1070± 10nm光纖脈沖激光器,第一分光系統(tǒng)的輸出端布置有第一聚焦鏡和第二分光系統(tǒng)，第二分光系統(tǒng)的輸出端布置有第二聚焦鏡和反射鏡，反射鏡的輸出端布置有第三聚焦鏡，所述第一聚焦鏡、第二聚焦鏡和第三聚焦鏡正對于用于放置藍(lán)寶石玻璃的三維平臺。
[0011]進(jìn)一步地，上述的紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置，其中，所述三維平臺上方布置有高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工方法，激光器發(fā)出激光，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后形成平行光束；準(zhǔn)直后光束進(jìn)入第一分光系統(tǒng)，經(jīng)第一分光系統(tǒng)分成的光束分別進(jìn)入第一聚焦鏡和第二分光系統(tǒng)，第一聚焦鏡將激光匯聚聚焦在加工件的表面，經(jīng)第二分光系統(tǒng)分成的光束分別進(jìn)入第二聚焦鏡和反射鏡，第二聚焦鏡將激光匯聚聚焦在加工件的表面，經(jīng)反射鏡反射出的光進(jìn)入第三聚焦鏡，第三聚焦鏡將激光匯聚聚焦在加工件的表面。
[0013]再進(jìn)一步地，上述的紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工方法，由高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)顯示材料表面最清晰的位置，通過高分辨的影像識別定位位置實(shí)現(xiàn)高位置精度切害IJ，并對加工過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
[0014]本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在:
[0015]①采用經(jīng)過優(yōu)化的激光光束進(jìn)行加工，通過分光提高激光功率的使用率，提升效率、降低成本，還可以降低其邊緣崩邊和熱影響區(qū)域；解決了激光過程中的效率及效果問題；
[0016]②激光器具有很高的峰值功率和可調(diào)節(jié)范圍比較廣的脈寬，在與材料作用時利用瞬間高峰值功率熱、較低占空比與材料發(fā)生高溫?zé)g了去除物質(zhì)，極大地減小熱影響區(qū)域，獲得較好的邊緣效果，藍(lán)寶石切割后的背面掛渣比較松軟；
[0017]③擴(kuò)大了激光在藍(lán)寶石切割等方面取代傳統(tǒng)加工方式的可能性，而相比于應(yīng)用紫外激光、綠光激光、co2激光，本發(fā)明具有光斑小、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
[0019]圖1:本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2:激光波形調(diào)整示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示，紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置，包含沿光路依次布置的激光器1、準(zhǔn)直鏡2、光束角度調(diào)整模塊3和第一分光系統(tǒng)4，激光器1是1070±10nm光纖脈沖激光器，第一分光系統(tǒng)4的輸出端布置有第一聚焦鏡7和第二分光系統(tǒng)5,第二分光系統(tǒng)5的輸出端布置有第二聚焦鏡8和反射鏡6，反射鏡6的輸出端布置有第三聚焦鏡9，第一聚焦鏡7、第二聚焦鏡8和第三聚焦鏡9正對于用于放置藍(lán)寶石玻璃的三維平臺，三維平臺上方布置有高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)，高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)、高倍鏡頭(分辨率)和同軸電光源組成，實(shí)現(xiàn)高位置精度切割，并對切割過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
[0022]具體應(yīng)用時，激光器1發(fā)出激光，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡2后形成平行光束，調(diào)整激光器內(nèi)部的脈寬時間和峰值功率以及調(diào)整激光器出光波形，使有利于切割藍(lán)寶石玻璃的方向發(fā)展，準(zhǔn)直的目的主要是將激光器通過光纖的隨機(jī)發(fā)散的紅外激光校正成平行光光束；準(zhǔn)直后光束經(jīng)光束角度調(diào)整模塊進(jìn)行激光角度調(diào)整后入射進(jìn)第一分光系統(tǒng)4，經(jīng)第一分光系統(tǒng)4分成的光束分別進(jìn)入第一聚焦鏡7和第二分光系統(tǒng)5，第一聚焦鏡7將激光匯聚聚焦在加工件10的表面，經(jīng)第二分光系統(tǒng)5分成的光束分別進(jìn)入第二聚焦鏡8和反射鏡6，第二聚焦鏡8將激光匯聚聚焦在加工件10的表面，經(jīng)反射鏡6反射出的光進(jìn)入第三聚焦鏡9，第三聚焦鏡9將激光匯聚聚焦在加工件10的表面；通過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產(chǎn)能。激光高功率密度的光斑聚焦位于加工面表面附近，藍(lán)寶石玻璃的加工厚度能夠到達(dá)2.2mm ;配合同軸吹氣與惰性保護(hù)氣體使用，藍(lán)寶石玻璃切割完成后背面掛渣較少，熱影響區(qū)也較小。
[0023]高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)能夠顯示材料表面最清晰的位置，通過高分辨的影像識別定位位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對位(由高精度的三維平臺保證影像與聚焦鏡相對于平臺上的補(bǔ)償值)和達(dá)到精確加工的目的。藍(lán)寶石放在三維平臺上，通過影像系統(tǒng)在顯示屏上呈現(xiàn)清晰的像，由影像相對于藍(lán)寶石的位置切換到聚焦鏡相對其位置下；最后開始加工，由添加過濾光片的影像記錄激光加工的整個過程，便于后續(xù)分析激光參數(shù)設(shè)置問題。使設(shè)備的整體切割精度控制在5um以內(nèi)。
[0024]采用1070±10nm紅外光纖激光器，具有高峰值功率、高單脈沖能量、更高的光電轉(zhuǎn)換率、長脈寬等特點(diǎn)，與普通的連續(xù)光纖激光器相比，具有很高的峰值功率和可調(diào)節(jié)范圍比較廣的脈寬，在與材料作用時利用瞬間高峰值功率熱、較低占空比與材料發(fā)生高溫?zé)g了去除物質(zhì)，使用這種方式可以極大地減小熱影響區(qū)域；可以獲得較好的邊緣效果；藍(lán)寶石切割后的背面掛渣比較松軟。
[0025]如圖2所示，對激光器內(nèi)部波形的調(diào)整，將傳統(tǒng)意義上的“平波”改為“尖波”，即獲得瞬間的高峰值功率，較長的脈寬，同時由單脈沖能量提高到焦耳量級，瞬間保證激光將藍(lán)寶石玻璃表面熔融或擊穿。
[0026]綜上所述，采用經(jīng)過優(yōu)化的激光光束進(jìn)行加工，不僅可以提升效率、降低成本，還可以降低其邊緣崩邊和熱影響區(qū)域。解決了激光過程中的效率及效果問題，同時也擴(kuò)大了激光在藍(lán)寶石切割等方面取代傳統(tǒng)加工方式的可能性。相比于應(yīng)用紫外激光、綠光激光、co2激光，本發(fā)明具有光斑小、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0027]需要理解到的是:以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置，其特征在于:包含沿光路依次布置的激光器、準(zhǔn)直鏡、光束角度調(diào)整模塊和第一分光系統(tǒng)，激光器是1070± 1nm光纖脈沖激光器,第一分光系統(tǒng)的輸出端布置有第一聚焦鏡和第二分光系統(tǒng)，第二分光系統(tǒng)的輸出端布置有第二聚焦鏡和反射鏡，反射鏡的輸出端布置有第三聚焦鏡，所述第一聚焦鏡、第二聚焦鏡和第三聚焦鏡正對于用于放置藍(lán)寶石玻璃的三維平臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工裝置，其特征在于:所述三維平臺上方布置有高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)。
3.權(quán)利要求1所述裝置實(shí)現(xiàn)紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工方法，其特征在于:激光器發(fā)出激光，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后形成平行光束；準(zhǔn)直后光束進(jìn)入第一分光系統(tǒng)，經(jīng)第一分光系統(tǒng)分成的光束分別進(jìn)入第一聚焦鏡和第二分光系統(tǒng)，第一聚焦鏡將激光匯聚聚焦在加工件的表面，經(jīng)第二分光系統(tǒng)分成的光束分別進(jìn)入第二聚焦鏡和反射鏡，第二聚焦鏡將激光匯聚聚焦在加工件的表面，經(jīng)反射鏡反射出的光進(jìn)入第三聚焦鏡，第三聚焦鏡將激光匯聚聚焦在加工件的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外激光切割藍(lán)寶石玻璃的加工方法，其特征在于:由高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)顯示材料表面最清晰的位置，通過高分辨的影像識別定位位置實(shí)現(xiàn)高位置精度切割，并對加工過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
【文檔編號】C03B33/08GK104445904SQ201410668231
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】趙裕興, 張凱 申請人:蘇州德龍激光股份有限公司, 江陰德力激光設(shè)備有限公司