專利名稱：一種激光打孔刻痕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光打孔刻痕的裝置，特別涉及對(duì)高速度移動(dòng)的薄型板材等進(jìn)行高速度激光打孔刻痕的裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在能夠?qū)σ苿?dòng)薄型板材激光打孔的方案是采用移動(dòng)激光光束來跟隨板材的運(yùn)動(dòng)，使得激光聚焦光點(diǎn)與板材的相對(duì)位置在一個(gè)激光短脈沖時(shí)間內(nèi)保持不變來實(shí)現(xiàn)打孔。而對(duì)移動(dòng)板材的激光劃痕的方法是采用長(zhǎng)脈沖或連續(xù)輸出激光方法，通過板材的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)激光光束與板材的相對(duì)移動(dòng)從而在板材上留下劃痕。如中國(guó)專利公開號(hào)2474263所公開的“一種激光打孔裝置”，該發(fā)明為一種激光打孔裝置，其包括有一臺(tái)長(zhǎng)脈沖的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器和一臺(tái)短脈沖的短波長(zhǎng)激光器，在進(jìn)行打孔加工時(shí)，每個(gè)孔的加工均分兩步，即先用長(zhǎng)波長(zhǎng)激光快速穿孔，再用短波長(zhǎng)激光擴(kuò)出成形孔。
由于激光打孔使用的是短脈沖的激光器，而激光劃痕采用的是長(zhǎng)脈沖或連續(xù)激光器，這樣如果要在板材上實(shí)現(xiàn)激光的打孔兼劃痕，就需要兩臺(tái)激光器。這將使得系統(tǒng)龐大而且復(fù)雜，造成浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種簡(jiǎn)單的對(duì)高速度運(yùn)動(dòng)板材進(jìn)行高速度激光打孔兼劃痕的裝置，該裝置只使用一臺(tái)激光器就能實(shí)現(xiàn)激光的打孔兼劃痕。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種激光打孔刻痕裝置，對(duì)運(yùn)動(dòng)的薄型板材進(jìn)行高速度激光打孔兼刻痕，包括雙脈沖激光器、光學(xué)變換系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鏡及F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)；其中，雙脈沖激光器，其輸出激光脈沖為一個(gè)短脈沖和一個(gè)長(zhǎng)脈沖；光學(xué)變換系統(tǒng)，其為一倒置望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)焦距不同的透鏡組成，前透鏡焦距短，后透鏡焦距長(zhǎng)，設(shè)置于雙脈沖激光器射出光路上，對(duì)脈沖激光進(jìn)行擴(kuò)束變換；轉(zhuǎn)鏡，其為一維轉(zhuǎn)鏡，設(shè)置于光學(xué)變換系統(tǒng)后，將經(jīng)光學(xué)變換系統(tǒng)變換后的激光光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與板材的運(yùn)動(dòng)方向相同；F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)，包括兩個(gè)非球面透鏡，前一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行進(jìn)一步的偏折，并改變激光光束的波前形狀，而后一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行聚焦。
所述的高速移動(dòng)板材激光打孔兼刻痕裝置，激光器是一個(gè)雙脈沖激光器，其輸出激光脈沖為一個(gè)短脈沖和一個(gè)長(zhǎng)脈沖，短脈沖脈沖時(shí)間短，峰值功率高，用于激光打孔，而長(zhǎng)脈沖脈沖時(shí)間長(zhǎng)，峰值功率低用于激光刻痕，短脈沖和長(zhǎng)脈沖的寬度、幅值以及它們之間的時(shí)間間隔可調(diào)。
所述的高速移動(dòng)板材激光打孔兼刻痕裝置，轉(zhuǎn)鏡是一維的，且偏轉(zhuǎn)方向和板材的運(yùn)動(dòng)方向相同。
所述的雙脈沖激光器包括長(zhǎng)脈沖激光電源、短脈沖激光電源、激光諧振腔、脈沖信號(hào)控制單元；其中，所述的長(zhǎng)脈沖激光電源和短脈沖激光電源并聯(lián)連接在開關(guān)控制器上；激光諧振腔，包括全反射鏡、輸出耦合鏡、激光晶體、泵浦燈；所述的全反射鏡、輸出耦合鏡相對(duì)，激光晶體設(shè)置于其中，泵浦燈對(duì)應(yīng)于激光晶體設(shè)置，并通過導(dǎo)線連接于開關(guān)控制器；脈沖信號(hào)控制單元，分別對(duì)長(zhǎng)脈沖激光電源和短脈沖激光電源進(jìn)行控制。
本實(shí)用新型從雙脈沖激光器輸出激光通過光學(xué)變換系統(tǒng)和轉(zhuǎn)鏡反射后，入射在F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)上，經(jīng)聚焦后打在運(yùn)動(dòng)板材上，實(shí)現(xiàn)打孔和刻痕?？梢娫摷す獯蚩卓毯垩b置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完備。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的激光脈沖序列圖；圖3為本實(shí)用新型雙脈沖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型雙脈沖激光器的開關(guān)控制器電路圖。
具體實(shí)施方案參見圖1，本實(shí)用新型的激光打孔刻痕裝置，包括雙脈沖激光器1、光學(xué)變換系統(tǒng)2、轉(zhuǎn)鏡3及F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)4；其中，雙脈沖激光器1，其輸出激光脈沖為一個(gè)短脈沖和一個(gè)長(zhǎng)脈沖；光學(xué)變換系統(tǒng)2，其為一倒置望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)焦距不同的透鏡組成，前透鏡焦距短，后透鏡焦距長(zhǎng)，設(shè)置于雙脈沖激光器射出光路上，對(duì)脈沖激光進(jìn)行擴(kuò)束變換；轉(zhuǎn)鏡3，其為一維轉(zhuǎn)鏡，設(shè)置于光學(xué)變換系統(tǒng)2后，將經(jīng)光學(xué)變換系統(tǒng)變換后的激光光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與板材的運(yùn)動(dòng)方向相同；F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)4，包括兩個(gè)非球面透鏡，前一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行進(jìn)一步的偏折，并改變激光光束的波前形狀，而后一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行聚焦。
參見圖1，雙脈沖激光器1所輸出的脈沖激光進(jìn)入光束經(jīng)光學(xué)變換系統(tǒng)2，進(jìn)行擴(kuò)束變換。光學(xué)變換系統(tǒng)2的光學(xué)系統(tǒng)為倒置望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)焦距不同的透鏡，前透鏡焦距短，后透鏡焦距長(zhǎng)。激光器射出的激光的光束直徑小發(fā)散角大，光學(xué)變換系統(tǒng)2將該激光光束進(jìn)行變換，使得出射激光光束的直徑變大，發(fā)散角變小，有利于激光傳輸?shù)奖容^遠(yuǎn)的位置。經(jīng)光學(xué)變換系統(tǒng)2變換后的激光光束進(jìn)入一維轉(zhuǎn)鏡3，轉(zhuǎn)鏡3的偏轉(zhuǎn)方向與鋼板5的運(yùn)動(dòng)方向相同。并與激光的兩個(gè)脈沖相配合。
假定鋼板的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺淖笙蛴?，在未發(fā)出激光脈沖前，轉(zhuǎn)鏡3位于使得激光光束偏轉(zhuǎn)在3′的位置，在雙脈沖激光器1發(fā)出第一個(gè)脈沖6時(shí)，轉(zhuǎn)鏡3沿鋼板5的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。這時(shí)激光光束是以一定的偏轉(zhuǎn)角度入射到F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)4上。F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)4的前一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行進(jìn)一步的偏折，并改變激光光束的波前形狀，而后一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行聚焦。其聚焦焦面與鋼板5的上表面重合。這樣配合的結(jié)果是，當(dāng)激光光束以一定的偏轉(zhuǎn)角度入射時(shí)，F(xiàn)-θ聚焦鏡將把激光光束聚焦在聚焦焦面上偏離中心位置O不同距離的位置O′或O″。這個(gè)偏離中心位置O的距離與入射激光光束的偏轉(zhuǎn)角度成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)鏡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，激光光束通過轉(zhuǎn)鏡后與光軸8重合，光束入射到F-θ聚焦鏡上的角度為零，聚焦位置就在中心位置O處。
因此通過轉(zhuǎn)鏡3的從左向右的偏轉(zhuǎn)，入射激光光束的入射角度與光軸的夾角從大變小再變大，在F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)4的焦面上，通過F-θ聚焦鏡后的聚焦光斑將從O′的位置通過中心位置O掃描到O″的位置。這樣調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鏡3的偏轉(zhuǎn)速度大小，就可使得激光光束經(jīng)F-θ聚焦鏡聚焦后激光聚焦光斑在鋼板5上保持靜止，即與鋼板5的運(yùn)動(dòng)速度相同。這將保證激光打孔的圓度。
當(dāng)轉(zhuǎn)鏡3運(yùn)動(dòng)到3″位置時(shí)，停止，而第一個(gè)激光脈沖6在這段時(shí)間內(nèi)完成輸出。在雙脈沖激光器1發(fā)射出第二個(gè)脈沖前，轉(zhuǎn)鏡3返回到位置3′，然后再運(yùn)動(dòng)到位置3″時(shí)停止。在這一段時(shí)間內(nèi)，第二個(gè)脈沖7完成。從而實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)的鋼板上激光打孔的后面又打出刻痕用以標(biāo)記打孔的位置。
轉(zhuǎn)鏡3的偏轉(zhuǎn)速度與所需要刻痕的長(zhǎng)度和鋼板5的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。當(dāng)需要刻比較長(zhǎng)的刻痕而鋼板5的運(yùn)動(dòng)速度比較慢時(shí)，轉(zhuǎn)鏡3的運(yùn)動(dòng)速度變塊，反之，當(dāng)需要刻比較長(zhǎng)的刻痕而鋼板5的運(yùn)動(dòng)速度比較快時(shí)，轉(zhuǎn)鏡3的運(yùn)動(dòng)速度變慢。而當(dāng)需要刻比較短的刻痕時(shí)，而鋼板5的運(yùn)動(dòng)速度比較慢時(shí)，轉(zhuǎn)鏡3的運(yùn)動(dòng)速度變慢，反之，當(dāng)需要刻比較短的刻痕而鋼板5的運(yùn)動(dòng)速度比較快時(shí)，轉(zhuǎn)鏡3的運(yùn)動(dòng)速度變快。
參見圖2，其為雙脈沖激光器1所輸出的激光脈沖序列示意圖。激光脈沖6為第一個(gè)脈沖，脈沖時(shí)間短，峰值功率高，用于激光打孔，而激光脈沖7為第二個(gè)脈沖，脈沖時(shí)間長(zhǎng)，峰值功率低，用于激光刻痕。這兩個(gè)脈沖的順序可以顛倒，相應(yīng)的前面所述轉(zhuǎn)鏡3的運(yùn)動(dòng)也將改變，從而實(shí)現(xiàn)先打出刻痕再激光打孔。
再請(qǐng)參見圖3，本實(shí)用新型所述的雙脈沖激光器1包括長(zhǎng)脈沖激光電源16、短脈沖激光電源17、激光諧振腔、脈沖信號(hào)控制單元18；其中，所述的長(zhǎng)脈沖激光電源16和短脈沖激光電源17并聯(lián)連接在開關(guān)控制器15上；激光諧振腔，包括全反射鏡11、輸出耦合鏡12、激光晶體13、泵浦燈14；所述的全反射鏡11、輸出耦合鏡12相對(duì)，激光晶體13設(shè)置于其中，泵浦燈14對(duì)應(yīng)于激光晶體13設(shè)置，并通過導(dǎo)線連接于開關(guān)控制器15；脈沖信號(hào)控制單元18，分別對(duì)長(zhǎng)脈沖激光電源16和短脈沖激光電源17進(jìn)行控制。
再請(qǐng)參見圖3、圖4，脈沖信號(hào)控制單元18所發(fā)出的控制信號(hào)分別控制開關(guān)控制器15，長(zhǎng)脈沖激光電源16和短脈沖激光電源17。當(dāng)需要長(zhǎng)脈沖激光19輸出時(shí)，脈沖信號(hào)控制單元18對(duì)長(zhǎng)脈沖激光電源輸入所需發(fā)出的脈沖寬度和幅值，然后再發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)對(duì)開關(guān)控制器15發(fā)出信號(hào)，使得開關(guān)控制器接通長(zhǎng)脈沖激光電源16與泵浦燈14的連線，而斷開短脈沖激光電源17與泵浦燈14的連線，從而輸出長(zhǎng)脈沖激光19，而避免長(zhǎng)脈沖激光電源16對(duì)短脈沖激光電源17的沖擊。同理，當(dāng)要輸出短脈沖激光10時(shí)，脈沖信號(hào)控制單元18對(duì)短脈沖激光電源輸入所需發(fā)出的脈沖寬度和幅值，然后再發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)對(duì)開關(guān)控制器15發(fā)出信號(hào)，使得開關(guān)控制器接通短脈沖激光電源17與泵浦燈14的連線，而斷開長(zhǎng)脈沖激光電源16與泵浦燈14的連線，從而輸出短脈沖激光10，而避免短脈沖激光電源17對(duì)長(zhǎng)脈沖激光電源16的沖擊，不存在串?dāng)_。由于長(zhǎng)脈沖激光電源16和短脈沖激光電源17分別對(duì)應(yīng)不同的激光長(zhǎng)脈沖和短脈沖的輸出，因而可以很容易實(shí)現(xiàn)脈沖寬度差異很大的雙脈沖激光輸出。而且脈沖信號(hào)控制單元18分別對(duì)長(zhǎng)脈沖激光電源16和短脈沖激光電源17進(jìn)行控制，使得控制容易、簡(jiǎn)單。
參見圖4，其為開關(guān)控制器15的具體實(shí)施電路圖。圖中長(zhǎng)脈沖輸出連接到長(zhǎng)脈沖激光電源，使得長(zhǎng)脈沖激光電源實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖輸出；短脈沖輸出連接到短脈沖激光電源，使得短脈沖激光電源實(shí)現(xiàn)短脈沖輸出。該開關(guān)控制器15包括信號(hào)輸入電路151、邏輯判斷電路152和放大電路153，信號(hào)輸入電路151中信號(hào)通過光隔輸入，并采用發(fā)光二極管來顯示信號(hào)輸入；邏輯判斷電路152采用與非門判斷方式，目的是確保長(zhǎng)脈沖和短脈沖輸入信號(hào)不能同時(shí)輸入；放大電路153是將經(jīng)過判斷的信號(hào)進(jìn)一步放大，達(dá)到一定的電流和電壓值，以便能驅(qū)動(dòng)脈沖激光電源工作。
具體工作如下由脈沖信號(hào)控制單元18所發(fā)出的控制信號(hào)到控制開關(guān)控制器15時(shí)，首先發(fā)出門控輸入高電平信號(hào)控制與非門電路U9D和U9B，分別使得長(zhǎng)脈沖觸發(fā)輸入和短脈沖觸發(fā)輸入成為可能。當(dāng)輸入長(zhǎng)脈沖觸發(fā)時(shí)，如果短脈沖觸發(fā)信號(hào)為低電平，那么U9C輸出信號(hào)10就為低電平，這使得長(zhǎng)脈沖通過U9A輸出高電平，使得有長(zhǎng)脈沖輸出來控制長(zhǎng)脈沖激光電源，發(fā)出長(zhǎng)脈沖激光。反之，如果短脈沖觸發(fā)信號(hào)為高電平，這表示正在輸出短脈沖，那么U9C輸出信號(hào)10就為高電平，這必然使得長(zhǎng)脈沖通過U9A輸出為低電平，使得長(zhǎng)脈沖輸出不可能，長(zhǎng)脈沖激光電源就不工作。這樣長(zhǎng)脈沖和短脈沖就不可能實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸出。同樣，單輸入短脈沖觸發(fā)時(shí)，如果長(zhǎng)脈沖觸發(fā)信號(hào)為低電平，那么U9A輸出信號(hào)3就為低電平，這使得短脈沖通過U9C輸出高電平，使得有短脈沖輸出來控制短脈沖激光電源，發(fā)出短脈沖激光。反之，如果長(zhǎng)脈沖觸發(fā)信號(hào)為高電平，這表示正在輸出長(zhǎng)脈沖，那么U9A輸出信號(hào)3就為高電平，這必然使得長(zhǎng)脈沖通過U9C輸出為低電平，使得短脈沖輸出不可能，短脈沖激光電源就不工作。這樣長(zhǎng)脈沖和短脈沖就不可能實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸出，長(zhǎng)脈沖激光電源和短脈沖激光電源就不能同時(shí)打開，避免相互造成沖擊而造成串?dāng)_，從而達(dá)到控制的目的。
本實(shí)用新型用一臺(tái)激光器，其可輸出長(zhǎng)脈沖和短脈沖激光，短脈沖激光來打孔，而長(zhǎng)脈沖激光來刻痕。
權(quán)利要求1.一種激光打孔刻痕裝置，對(duì)運(yùn)動(dòng)的薄型板材進(jìn)行高速度激光打孔兼刻痕，其特征是，包括，雙脈沖激光器，其輸出激光脈沖為一個(gè)短脈沖和一個(gè)長(zhǎng)脈沖；光學(xué)變換系統(tǒng)，其為一倒置望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)焦距不同的透鏡組成，前透鏡焦距短，后透鏡焦距長(zhǎng)，設(shè)置于雙脈沖激光器射出光路上，對(duì)脈沖激光進(jìn)行擴(kuò)束變換；轉(zhuǎn)鏡，其為一維轉(zhuǎn)鏡，設(shè)置于光學(xué)變換系統(tǒng)后，將經(jīng)光學(xué)變換系統(tǒng)變換后的激光光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與板材的運(yùn)動(dòng)方向相同；F-θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)，包括兩個(gè)非球面透鏡，前一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行進(jìn)一步的偏折，并改變激光光束的波前形狀，而后一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行聚焦。
2.如權(quán)利要求1所述的激光打孔刻痕裝置，其特征是，所述的雙脈沖激光器包括長(zhǎng)脈沖激光電源、短脈沖激光電源、激光諧振腔、脈沖信號(hào)控制單元；其中，所述的長(zhǎng)脈沖激光電源和短脈沖激光電源并聯(lián)連接在開關(guān)控制器上；激光諧振腔，包括全反射鏡、輸出耦合鏡、激光晶體、泵浦燈；所述的全反射鏡、輸出耦合鏡相對(duì)，激光晶體設(shè)置于其中，泵浦燈對(duì)應(yīng)于激光晶體設(shè)置，并通過導(dǎo)線連接于開關(guān)控制器；脈沖信號(hào)控制單元，分別對(duì)長(zhǎng)脈沖激光電源和短脈沖激光電源進(jìn)行控制。
專利摘要一種激光打孔刻痕裝置，對(duì)運(yùn)動(dòng)的薄型板材進(jìn)行高速度激光打孔兼刻痕，包括雙脈沖激光器、光學(xué)變換系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鏡及F－θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)；雙脈沖激光器輸出長(zhǎng)、短脈沖；光學(xué)變換系統(tǒng)包括兩個(gè)焦距不同的透鏡組成，前透鏡焦距短，后透鏡焦距長(zhǎng)，對(duì)脈沖激光進(jìn)行擴(kuò)束變換；轉(zhuǎn)鏡為一維轉(zhuǎn)鏡，將經(jīng)光學(xué)變換系統(tǒng)變換后的激光光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與板材的運(yùn)動(dòng)方向相同；F－θ聚焦光學(xué)系統(tǒng)包括兩個(gè)非球面透鏡，前一個(gè)非球面透鏡將激光光束進(jìn)行進(jìn)一步的偏折，并改變激光光束的波前形狀，后一個(gè)透鏡將激光光束進(jìn)行聚焦，經(jīng)聚焦后打在運(yùn)動(dòng)板材上，短脈沖激光來打孔，而長(zhǎng)脈沖激光來刻痕。
文檔編號(hào)B23K26/06GK2772711SQ20042011495
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者黃濤, 王智勇, 鄒玉賢, 左鐵釧, 李東江, 王益泉 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司, 北京工業(yè)大學(xué)