专利名称：一种激光打标机及其波长转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光打标技术，特别涉及一种可调节激光波长的激光打标 机、以及一种可供激光打标机调节激光波长的波长转换装置。
背景技术：
激光打标是利用高能量的激光束对所要标记材料的表面进行刻蚀，从而 形成所需要的图形、文字等标记。
由于激光打标与传统的机械冲压、机械雕刻、化学腐蚀、油墨喷码等打
标方式相比具有如下优势，因而其应用越来越广泛
1、 激光打标是属于非机械式加工，对材料不产生机械挤压或机械应力；
2、 激光打标属于非接触加工，不损坏产品、也没有刀具磨损，因而在 大批量生产过程中所作标记的前后一致性好；
3、 由于激光束能量密度高、标记速度快，对材料的非标记区域几乎没 有任何热影响区，不会产生热变形和热应力；
4、 激光无化学污染，属于绿色环保型加工方式；
5、 激光束易于导向和传输、且易与数控系统配合，具有较高的灵活性。 现有的激光打标机通常具有一装设有狭长封闭腔体的机架，该机架的封
闭腔体前端与X-Y扫描振镜相连、且在该机架的封闭腔体内部自后至前依 次安装有谐振腔和扩束镜。这样，谐振腔产生的激光经扩束镜射入至X-Y 扫描振镜，再由X-Y扫描振镜中的X轴振镜和Y轴振镜将激光折射至材料 表面，且此时，控制X轴振镜和Y轴振镜按照预设轨迹转动，即可实现在 材料表面标记出对应的图案。
其中，谐振腔产生的激光的波长是由该谐振腔内的增益介质决定、且固定不变的，因此，对于现有的各种激光打标机来说，均只能够提供一种波长
的激光。例如，掺铷钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体作为增益介质，则谐振腔 产生的激光的波长为1064纳米(nm)。
这样，如果需要对不同的材料打标，就需要选择能够提供不同波长激光 的激光打标机。
然而，随着技术的发展，存在多种场合需要在同一工序对不同的材料进 行打标，但现有激光打标机只能够提供一种波长的激光，因而无法满足该需 求。这样，就不得不选用具有不同增益介质的激光打标机，对不同的材料分 时、分工序进行打标，造成打标工艺所需的激光打标机数量多、利用率不高、 以及打标成本高、效率低下等诸多问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光打标机、以及一种波长转换装置，能 够调节激光波长。
本发明提供的一种激光打标机，包括一具有封闭腔体的机架，该封闭腔 体前端与X-Y扫描振镜相连、且在该封闭腔体内部自后至前依次安装有谐 振腔和扩束镜，谐振腔产生的激光经扩束镜射入至X-Y扫描振镜；
在谐振腔与扩束镜之间还安装有波长转换装置，该波长转换装置具有平 行于所述激光的若干通孔，其中一个通孔内为空腔、其他通孔内则分别填充 有能够降低所述激光波长的不同倍频晶体；
且各通孔的位置可切换，使得谐振腔产生的所述激光能够穿过任一通孔 到达扩束镜。
本发明提供的一种波长转换装置，该波长转换装置安装于激光打标机机 架的封闭腔体内的谐振腔与扩束镜之间，
该波长转换装置具有平行于谐振腔产生的激光的若干通孔，其中一个通 孔内为空腔、其他通孔内则分别填充有能够降低所述激光波长的不同倍频晶 体；腔产生的所述激光能够穿过任一通孔 到达扩束镜。
由上迷技术方案可见，本发明中的激光打标机包含有波长转换装置，由 于该波长转换装置能够切换各通孔的位置、使得谐振腔所产生的预设波长的 激光能够穿过任意一通孔到达扩束镜，因此，当预设波长的激光穿过内部为
空腔的一个通孔时，即可实现激光打标机利用预设波长的激光进行打标；而 当预设波长的激光穿过内部填充有不同倍频晶体的任一其他通孔时，则由于 倍频晶体对激光波长的转换，因而能够实现激光打标机利用对应不同倍频晶 体的不同波长激光进行打标。
图1为本发明实施例中激光打标机的机架内部立体结构示意图。
图2为本发明实施例中激光打标机及其外围主机拒的立体结构示意图。
工作原理图。
图4为本发明实施例中激光打标机的波长转换装置与冷却水管的立体 结构示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举 实施例，对本发明进一步详细说明。
参见图l并结合图2，本实施例中的激光打标机具有一装设有狭长封闭 腔体100的机架10,该机架10封闭腔体100的前端与X-Y扫描振镜20相 连、且在该机架IO封闭腔体100内部按照现有方式自后至前依次安装有全 反镜ll、调Q器件12、激光器13、半反镜14、以及扩束镜15。其中，全 反镜11、调Q器件12、激光器13、半反镜14构成谐振腔；调Q器件12 所涉及的"Q"是指描述谐振腔光学特性的一个品质因素，其具体原理为现有技术，在此不再赘述。
谐振腔内的激光器13内部沿机架IO封闭腔体100延伸方向水平放置有 氪灯131和作为增益介质的Nd:YAG晶体132，且氪灯131和Nd:YAG晶体 132的一端伸出在激光器13朝向全反镜11 一侧之外。
氪灯131与主机拒40内的激光电源41相连，当主机拒40上表面的主 开关51导通使得激光电源41通电后，氪灯131产生的光能经过全反镜11 的聚光而聚集在Nd:YAG晶体132，从而使得Nd:YAG晶体132产生受辐射 光，而受辐射光又会按照现有方式在全反镜11与半反镜14之间往返振荡形 成预设波长为1064nm的激光，并经由半反镜14向扩束镜15射出。其中， 受辐射光在全反镜11与半反镜14之间的往返振荡的频率、以及单位时间的 能量损耗由调Q器件12控制，该调Q器件12与主机拒内的调Q驱动器42 相连、并在调Q驱动器42的驱动下工作。
这样，谐振腔产生的激光经扩束镜射入至X-Y扫描振镜20,再由X-Y 扫描振镜20中的X轴振镜和Y轴振镜，将激光折射至X-Y扫描振镜20下 方的支架80上放置的材料表面，且此时，主机拒40中的电脑控制装置(图 中未示出)控制X轴振镜和Y轴振镜按照预设轨迹转动，即可实现在材料 表面标记出对应的图案。
此外，本实施例中的激光打标机在机架IO封闭腔体100内的谐振腔的 半反镜14与扩束镜15之间，还安装有一波长转换装置30。
在本实施例中，波长转换装置30为转轴平行于激光的圓柱体，第一通 孔31、第二通孔32、第三通孔33互成120度角环绕于该波长转换装置30 的转轴。且呈圆柱体的波长转换装置30的转轴通过连轴器(图中未示出) 与装设于机架IO封闭腔体100内的一伺服电机60的输出轴相连，使得波长 转换装置30能够在一伺服电机60的驱动下绕其转轴旋转、且每次旋转的角 度为120度，从而能够使得第一通孔31、第二通孔32、第三通孔33中的任 意一个对准谐振腔产生的预设波长为1064nm的激光，使得预设波长为 1064nm的激光穿过第一通孔31、或第二通孔32、或第三通孔33通孔到达扩束镜15。
其中，波长转换装置30的转轴也可以通过例如蜗轮蜗杆等本领域技术 人员能够实现的其他方式与伺服电机60的输出轴相连；伺服电机60与主机 柜40中的电脑控制装置电连接，并在电脑控制装置的控制下驱动波长转换 装置30的旋转。
当主机拒40上表面的第一模式开关51导通时，表示该激光打标机利用 波长为1064nm的激光进行打标，则伺服电机60在电脑控制装置的控制下 驱动波长转换装置30、以将第一通孔31对准谐振腔产生的预设波长为 1064nm的激光。参见图3a，第一通孔31内为空腔，因此，谐振腔产生的 预设波长为1064nm的激光穿过第一通孔31后波长不会发生变化，且预设 波长为1064nm的激光经过扩束镜15扩束后，依次经X-Y扫描振镜20内的 X轴振镜21、 Y轴振镜22折射后，再穿过F-6 (F-theta)镜23射入在需打 标的材料71表面。
这里所述的利用波长为1064nm的激光进行打标的材料71，可以为例如 铁、铜、铝、镁、锌等普通金属材料，也可以为例如金、银、钛等稀有金属 及其合金，还可以为各种金属氧化物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料、 幽默、环氧树脂等。
当主机拒40上表面的第二模式开关52导通时，表示该激光打标机利用 波长为532nm的激光进行打标，则伺服电机60在电脑控制装置的控制下驱 动波长转换装置30、以将第二通孔32对准谐振腔产生的预设波长为1064nm 的激光。参见图3b,第二通孔32内则填充有磷酸氧钛钾(KTP) 二倍频晶 体321,因此，谐振腔产生的预设波长为1064nm的激光穿过第二通孔32后 波长被KTP 二倍频晶体321转换为532nm，且波长被转换为532nm的激光 经过扩束镜15扩束后，依次经X-Y扫描振镜20内的X轴振镜21、 Y轴振 镜22折射后，再穿过F-theta镜23射入在需打标的材料72表面。
这里所述的利用波长为532nm的激光进行打标的材料72,可以为例如 不锈钢、铜合金等特种金属，也可以为例如玻璃、宝石、陶瓷、电镀材料、镀金材料等非金属，还可以为各种光学材料等。
此外，为了进一步保证穿过第二通孔32并射入至扩束镜15的所有激光 波长均为532nm,可以在第二通孔32内KTP二倍频晶体321朝向扩束镜15 的一侧，进一步安装对1064nm高反、对532nm高通的第一滤波镜322。
当主机柜40上表面的第三模式开关53导通时，表示该激光打标机利用 波长为266nm的激光进行打标，则伺服电机60在电脑控制装置的控制下驱 动波长转换装置30、以将第三通孔33对准谐振腔产生的预设波长为1064nm 的激光。参见图3c,第三通孔33内则自后之前依次填充有KTP二倍频晶体 331和偏硼酸钡(BBO)四倍频晶体333,因此，谐振腔产生的预设波长为 1064nm的激光穿过第三通孔31，其波长先被KTP 二倍频晶体331转换为 532nm、再被BBO四倍频晶体333转换为266nm,且波长被转换为266nm 的激光经过扩束镜15扩束后，依次经X-Y扫描振镜20内的X轴振镜21 、 Y轴振镜22折射后，再穿过F-theta镜23射入在需打标的材料73表面。
这里所述的利用波长为266nm的激光进行打标的材料73，可以为例如 玻璃、薄膜晶体管型(TFT)、液晶屏、等离子屏、纺织品、薄片陶瓷、单 晶硅片、IC颗粒、蓝宝石、聚合物薄膜等材料。
此外，为了进一步保证穿过第三通孔33并射入至扩束镜15的所有激光 波长均为266nm,可以在第三通孔33内KTP 二倍频晶体331与BBO四倍 频晶体333之间进一步安装对1064nm高反、对532nm高通的第二滤波镜 332，并在第三通孔33内BBO四倍频晶体333朝向扩束镜15的一侧，进一 步安装对532nm高反、对266nm高通的第三滤波镜334。
可见，本实施例中的激光打标机包含有波长转换装置30,由于该波长 转换装置30能够切换其内部为空腔的第一通孔31以及内部填充有不同倍频 晶体的第二通孔32和第三通孔33的位置，使得谐振腔所产生的预设波长 1064nm的激光能够经过第一通孔31、第二通孔32和第三通孔33中的任意 一个到达扩束镜15，其中，当预设波长为1064nm的激光穿过第一通孔31 到达扩束镜15,则激光打标机能够利用波长为1064nm的激光打标；当预设波长为1064nm的激光穿过第二通孔32到达扩束镜15，则激光打标机能够 利用波长为532nm的激光打标；当预设波长为1064nm的激光穿过第三通孔 33到达扩束镜15，则激光打标机能够利用波长为266nm的激光打标。这样， 即可实现激光打标机的波长调整，进而实现在一道工序内对不同材料的打标。
此外，在本实施例中，为了防止激光打标机工作时间过长而导致的波长 转换装置30内的各种倍频晶体过热，主机拒40内还装设有包含水泵44的 冷却装置43。相应地，参见图4,进一步有一圓柱形空心壳体卯套接在波 长转换装置30的外侧，且在圆柱形空心壳体90与波长转换装置30之间的 间隙内，进一步有冷却水管91呈螺旋状环绕于波长转换装置30，该冷却水 管91与冷却装置43出水口相连的入水口 92自圆柱形空心壳体卯的一端伸 出、与冷却装置43入水口相连的出水口 93自圓柱形空心壳体卯的另一端 伸出。
较佳地，呈螺旋状环绕于波长转换装置30的冷却水管91是固定的、不 会随波长转换装置30的转动而动，本领域技术人员能够通过各种手段来实 现冷却水管91的固定，例如利用一支架(图中未示出)固定支撑圓柱形空 心壳体90使得圆柱形空心壳体90与波长转换装置30之间具有间隙、并将 冷却水管91粘接于圓柱形空心壳体90内壁等，在此不再——赘述。
这样，圓柱形空心壳体90将波长转换装置30内各种倍频晶体辐射出的 热量保留在圆柱形空心壳体90与波长转换装置30之间的间隙内，然后由冷 却水管91与冷却装置43对流交换冷却液以吸收该热量，从而实现对波长转 换装置30的冷却。
上述实施例中仅仅是以呈圆柱体的波长转换装置30、且包含三个互为 120度分布的通孔为例。
实际应用中，波长转换装置也可以为矩形或其他形状，且各通孔也可以 水平排列于波长转换装置、并通过波长转换装置的平动来实现各通孔的位置
切换。例如，在机架IO封闭腔100内水平装设垂直于激光的滑轨，将波长转换装置放置于该滑轨即可实现在垂直于激光方向上的水平内平动，且平行 于激光的各通孔也可以沿垂直于激光的方向水平排列于波长转换装置，通过 波长转换装置在垂直于激光方向上的水平内平动使得激光能够穿过任一通 孔。这种情况下，伺服电机可通过丝杠等本领域技术人员所能够实现的各种 方式来驱动该波长转换装置的平动。
当然，由于机架IO封闭腔体100内的空间有限，因此，为了有效利用 现有机架IO封闭腔体100内部的空间而不对其结构进行改进，较佳地，设 置波长转换装置30为通过旋转切换通孔位置的圓柱形。
而且，波长转换装置30也可以手动切换各通孔的位置并利用各种定位 结构实现对通孔位置的固定，而不一定仅依靠伺服电机60驱动。
实际应用中，通孔数量不限于三个，填充于通孔内的倍频晶体类型及组 合方式也可以多种多样，只要能够与谐振腔产生的激光预设波长匹配即可。 当然，谐振腔内的增益介质也不限于Nd:YAG晶体132，即谐振腔产生的激 光的预设波长也不限于1064nm，且如果预设波长不为1064nm，各通孔内的 倍频晶体也需要作相应调整。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种激光打标机，包括一具有封闭腔体的机架，该封闭腔体前端与X-Y扫描振镜相连、且在该封闭腔体内部自后至前依次安装有谐振腔和扩束镜，谐振腔产生的激光经扩束镜射入至X-Y扫描振镜；其特征在于，在谐振腔与扩束镜之间还安装有波长转换装置，该波长转换装置具有平行于所述激光的若干通孔，其中一个通孔内为空腔、其他通孔内则分别填充有能够降低所述激光波长的不同倍频晶体；且各通孔的位置可切换，使得谐振腔产生的所述激光能够穿过任一通孔到达扩束镜。
2、 如权利要求1所述的激光打标机，其特征在于，所述波长转换装置为转轴平行于激光的圆柱体，所述若干通孔环绕于该转轴；且所述波长转换装置绕所述转轴旋转以实现各通孔的位置切换。
3、 如权利要求2所述的激光打标机，其特征在于，所述通孔为三个、且互成120度角环绕于所述转轴，其中，第一通孔内为空腔、第二通孔内填充有二倍频晶体、第三通孔内自后至前依次填充有二倍频晶体和四倍频晶体。
4、 如权利要求3所述的激光打标机，其特征在于，所述第二通孔内进一步在二倍频晶体的前侧，放置有对所述激光波长高反、对二分之一该波长高透的第一滤波片；所述第三通孔内进一步在二倍频晶体与四倍频晶体之间，放置有对所述激光波长高反、对二分之一该波长高透的第二滤波片，且在四倍频晶体朝向所述扩束镜的一侧放置有对二分之一该波长高反、对四分之一该波长高透的第三滤波片。
5、 如权利要求4所述的激光打标机，其特征在于，所述激光波长为1064纳米；所述二倍频晶体为磷酸氧钛钾二倍频晶体；所述四倍频晶体为偏硼酸钡四倍频晶体。
6、 如权利要求2至5中任意一项所述的激光打标机，其特征在于，进一步通过一 伺服电机驱动所述波长转换装置的旋转。
7、 如权利要求2至5中任意一项所述的激光打标机，其特征在于，进一步有一圆柱形空心壳体套接在所述波长转换装置的外侧；且在圓柱形空心壳体与所述波长转换装置之间的间隙内，进一步有冷却水管呈螺旋状环绕于所述波长转换装置，该冷却水管的入水口自圓柱形空心壳体的一端伸出、出水口自圆柱形空心壳体的另一端伸出。
8、 一种激光打标机中的波长转换装置，其特征在于，该波长转换装置安装于激光打标机机架的封闭腔体内的谐振腔与扩束镜之间，该波长转换装置具有平行于谐振腔产生的激光的若干通孔，其中一个通孔内为空腔、其他通孔内则分别填充有能够降低所述激光波长的不同倍频晶体；且各通孔的位置可切换，使得谐振腔产生的所述激光能够穿过任一通孔到达扩束镜。
9、 如权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换装置为转轴平行于激光的圆柱体，所述若干通孔环绕于该转轴；且所述波长转换装置绕所述转轴旋转以实现各通孔的位置切换。
10、 如权利要求9所述的波长转换装置，其特征在于，所述通孔为三个、且互成120度角环绕于所述转轴，其中，第一通孔内为空腔、第二通孔内填充有二倍频晶体、第三通孔内自后至前依次填充有二倍频晶体和四倍频晶体。
11、 如权利要求IO所述的波长转换装置，其特征在于，所述第二通孔内进一步在二倍频晶体的前侧，放置有对所述激光波长高反、对二分之一该波长高透的第一滤波片；所述第三通孔内进一步在二倍频晶体与四倍频晶体之间，放置有对所述激光波长高反、对二分之一该波长高透的第二滤波片，且在四倍频晶体朝向所述扩束镜的一侧放置有对二分之一该波长高反、对四分之一该波长高透的第三滤波片。
12、 如权利要求11所述的波长转换装置，其特征在于，所述激光波长为1064纳米；所述二倍频晶体为磷酸氧钛钾二倍频晶体；所述四倍频晶体为偏硼酸钡四倍频晶体。
13、 如权利要求9至12中任意一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换装置的各通孔的旋转进一步由一伺服电机驱动。
14、 如权利要求9至12中任意一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换装置的外侧进一步套接一圆柱形空心壳体；且在圓柱形空心壳体与所述波长转换装置之间的间隙内，进一步有冷却水管呈螺旋状环绕于所述波长转换装置，该冷却水管的入水口自圆柱形空心壳体的一端伸出、出水口自圆柱形空心壳体的另一端伸出。
全文摘要
本发明公开了一种激光打标机及其波长转换装置。本发明中的激光打标机包含有波长转换装置，由于该波长转换装置能够切换各通孔的位置、使得谐振腔所产生的预设波长的激光能够穿过任意一通孔到达扩束镜，因此，当预设波长的激光穿过内部为空腔的一个通孔时，即可实现激光打标机利用预设波长的激光进行打标；而当预设波长的激光穿过内部填充有不同倍频晶体的任一其他通孔时，则由于倍频晶体对激光波长的转换，因而能够实现激光打标机利用对应不同倍频晶体的不同波长激光进行打标。
文档编号G02F1/35GK101661206SQ200810146770
公开日2010年3月3日 申请日期2008年8月29日 优先权日2008年8月29日
发明者蒋琼艳, 陈大军, 雷志辉 申请人:比亚迪股份有限公司