一种532nm超硬材料激光精密加工装备的制作方法

本发明涉及超硬质材料激光切割加工，尤其涉及一种532nm超硬材料激光精密加工装备。

背景技术：

原始的超硬质材料(例如天然钻石)需要通过加工后，才能作为产品并应用于首饰或工业领域。超硬质材料在加工时需要对不同面进行切割。目前，对超硬质材料的加工手段大多采用机械切割、手工打磨抛光等，其操作复杂，其中，机械切割需要高速运转的部件(例如锯盘)，快速运转时存在一定幅度的摆动，导致精确度低，运动的部件容易将切割超硬质材料时产生的粉尘扬起，污染大，而且机械切割的噪声也大。

随着激光发生器的不断成熟，激光在切割上的运用也越来越广泛。为了切割超硬质材料所需的激光功率较高。然而，与功率较小的激光器相比，大功率的激光器由于其泵浦会产生大量的热，热量太高产生的热透镜会导致谐振腔不稳定，从而造成光束质量较差。而超硬质材料对激光的光束质量要求极高。市面上的绿光激光器要么功率不够，要么功率够的光束质量不足，被加工件的良品率十分低下。而且，不同功率的激光器其结构有一定的差异性，激光模块的功率的变化也不是呈线性的，难以调节，造成在实际使用中，单个激光器的输出功率范围较窄，适用性较低。此外，目前的激光器的体积较大，且光束中含有较多不同波长的光，光束质量较低，则切割效率也较低。

采用激光切割物件属于高温切割，虽然可以使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，但熔融物质残留在材料上也对后续的切割造成阻碍，降低切割的精确度和切割效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种532nm超硬材料激光精密加工装备，其激光光束质量高且稳定，突破目前加工硬脆材料良品率低、效率低的技术瓶颈。

为实现上述目的，本发明提供一种532nm超硬材料激光精密加工装备，包括基座，基座上设有激光器，激光器内均设有激光的z型谐振腔，所述z型谐振腔包括相邻布置的声光q开关、1064nm激光模块和用于将1064nm光转换成532nm光的谐振镜片组，z型谐振腔的输出端一侧设有波片；激光器的输出端沿光路方向依次设有扩束镜、装有聚焦镜的切割头和夹具；基座上设有摄像头和与夹具连接的水平移动机构。

作为本发明的进一步改进，所述扩束镜与切割头之间设有45度反射镜，所述摄像头位于45度反射镜的上方。

作为本发明的更进一步改进，所述45度反射镜的上方设有与其平行布置的45度棱镜，所述摄像头的镜头水平朝向45度棱镜。

作为本发明的更进一步改进，所述切割头上设有吹扫机构；所述基座上设有扩束镜的位置调节机构。

作为本发明的更进一步改进，在所述激光器中，z型谐振腔的数量为两个且相互并列设置，两个z型谐振腔的输出端设有合束镜组；两个z型谐振腔的输出端朝向相同，所述合束镜组包括两者相互平行的第一全反镜和合束镜，第一全反镜和合束镜分别设置在所述两个z型谐振腔的输出端一侧且与光路呈45度夹角，第一全反镜和合束镜两者镜面相对设置。

作为本发明的更进一步改进，所述谐振镜片组包括沿光路依次布置的第一输出镜、细孔光阑、倍频晶体和第二全反镜；所述第一输出镜为通532nm光、反射1064nm光的结构，倍频晶体为能将1064nm光转换为532nm光的结构；激光模块、细孔光阑两者的朝向与第一输出镜输入面之间均呈相同的夹角，所述波片位于第一输出镜输出面的一侧。

作为本发明的更进一步改进，所述谐振镜片组还包括第三全反镜和偏振片，第三全反镜、偏振片和声光q开关三者依次布置。

作为本发明的更进一步改进，所述z型谐振腔包括沿光路位于偏振片和声光q开关之间的第四全反镜。

作为本发明的更进一步改进，所述激光器内沿所述波片的输出光路依次设有两反射面相互平行的分光镜和第二输出镜。

作为本发明的更进一步改进，所述偏振片和第三全反镜之间的光路方向与倍频晶体和第二全反镜之间的光路方向相平行，偏振片和第三全反镜之间的光路方向与激光模块光路方向的夹角为10-50°。

作为本发明的更进一步改进，所述激光器内设有位于激光模块与第一输出镜之间的挡板，该挡板与激光器的壳体之间为可旋转连接。

有益效果

与现有技术相比，本发明的532nm超硬材料激光精密加工装备的优点为：

1、谐振腔采用z型结构，可以让光束的质量高且稳定，还利于光路的布置，方便声光q开关、1064nm激光模块、谐振镜片组和波片布置在一较小的空间内，从而实现532nm激光器的小型化，能适用于多种规格的激光切割装置；波片能将经过其的线偏振光激光调整为圆偏振光，起到激光光斑的整形作用。该激光器的功率和光束质量都是最契合超硬质材料的，能实现超硬材料如天然钻石、立方氮化硼、人造单晶钻石、碳化硅等硬脆材料的激光高效精密去除加工，突破目前加工硬脆材料良品率低、效率低的技术瓶颈。

2、通过合束镜组使从两个z型谐振腔射出的激光合束成一束，可使激光功率翻倍的同时确保合束后的激光拥有较高的光束质量，提高对超硬质材料的切割精度。此外，通过关闭其中一个z型谐振腔中的激光模块，可以让激光器中只有一个z型谐振腔有激光射出，实现以较低功率来切割材料，应对不同功率的需求，从而具备切割不同材料的能力，无需设计两套不同的系统，节约成本。

3、两个z型谐振腔输出端的朝向相同，则合束镜组只需采用一块第一全反镜和一块合束镜即可，结构简单、成本低、装配时对合束镜组的镜片进行微调。

4、被第一输出镜反射的1064nm激光，依次经1064nm激光模块、声光q开关、第四全反镜、偏振片后，再由第三全反镜反射原路返回，并重新被第一输出镜反射经过倍频晶体转化为532nm激光，最后穿过波片，确保激光模块射出的所有1064nm激光都能转化为532nm激光并射出，充分利用光源能量，减少能量在光路中的损失，从而提高切割效率。偏振片能把光束调整为倍频晶体效率最高的偏振态。

5、挡板位于激光模块与第一输出镜之间，不使用时可通过旋转从激光路径上移开；而当需要关闭激光器时，为了防止声光q开关没有正常锁光、激光从激光器壳体出光口处射出，可将挡板挡在激光模块与第一输出镜之间以阻断光路，作为安全装置，避免出现不需要进行激光切割时而激光从激光器中射出，杜绝安全隐患。

6、采用532nm超硬材料激光精密加工装备进行加工时，超硬质材料(例如钻石)被固定在粘接棒的一端，粘接棒被基座上的夹具固定住。532nm激光从激光器射出后水平经过扩束镜，然后通过45度反射镜改为竖直朝下照射，经过切割头上的聚焦镜进行聚焦，最终照射在超硬质材料上进行切割。光路从水平转为竖直朝下，可以让激光器和夹具、水平移动机构设置在不同高度，利于减小设备的占地面积。

7、根据摄像头实时观察超硬质材料的切割情况，通过水平移动机构调节超硬质材料的位置，以实现精确切割。

8、切割头上设有吹扫机构，在切割超硬质材料的过程中，可吹走附着在超硬质材料上的熔融物质，避免熔融物质对激光切割造成的阻碍，从而提高切割效率和切割精度。

9、45度反射镜的上方设有与其平行布置的45度棱镜，摄像头的镜头水平朝向45度棱镜，从而可将摄像头横置，相比于摄像头竖直放置，将摄像头横置可以充分利用激光切割装置的横向空间，降低其高度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为532nm超硬材料激光精密加工装备的激光器内部结构图；

图2为532nm超硬材料激光精密加工装备的内部结构示意图之一；

图3为图2中的a向放大图；

图4为532nm超硬材料激光精密加工装备的内部结构示意图之二；

图5为扩束镜的位置调节机构立体示意图；

图6为位置调节机构的右视图；

图7为位置调节机构的后视图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例。

实施例

本发明的具体实施方式如图1至图7所示，一种532nm超硬材料激光精密加工装备，包括基座16，基座16上设有激光器。激光器内设有激光的z型谐振腔，所述z型谐振腔包括相邻布置的声光q开关2、1064nm激光模块1和用于将1064nm光转换成532nm光的谐振镜片组，z型谐振腔的输出端一侧设有波片11。激光器的输出端沿光路方向依次设有扩束镜27、装有聚焦镜的切割头19和夹具20。基座16上设有摄像头22和与夹具20连接的水平移动机构21。本实施例中，激光器的激光沿水平向射出，扩束镜27与切割头19之间设有45度反射镜17，激光经45度反射镜17变成竖直向下。摄像头22位于45度反射镜17的上方。

为了提高激光的功率，在激光器中，z型谐振腔的数量为两个且相互并列设置。两个z型谐振腔的输出端设有合束镜组。两个z型谐振腔的输出端朝向相同，所述合束镜组包括两者相互平行的第一全反镜39和合束镜40，第一全反镜39和合束镜40分别设置在所述两个z型谐振腔的输出端一侧且与光路呈45度夹角，第一全反镜39和合束镜40两者镜面相对设置。此外，根据两个z型谐振腔输出端朝向的不同，合束镜组内的镜子布置和数量也可以做适当的选择。两个z型谐振腔和合束镜组共同装在一个壳体15内。声光q开关2用于使连续激光功率输出转化为具有高峰值功率的激光脉冲输出。

谐振镜片组包括沿光路依次布置的第一输出镜3、细孔光阑4、倍频晶体5和第二全反镜。所述第一输出镜3为通532nm光、反射1064nm光的结构，倍频晶体5为能将1064nm光转换为532nm光的结构。激光模块1、细孔光阑4两者的朝向与第一输出镜3输入面之间均呈相同的夹角，所述波片11位于第一输出镜3输出面的一侧。从1064nm激光模块1射出的激光照射在第一输出镜3时，第一输出镜3使1064nm的光反射并经过细孔光阑4。细孔光阑4用于限制激光束的径向大小。1064nm的激光经过倍频晶体后变成532nm激光，532nm激光经第二全反镜6反射后依次穿过第一输出镜3和波片11。

所述谐振镜片组还包括第三全反镜9和偏振片8，第三全反镜9、偏振片8和声光q开关2三者依次布置。z型谐振腔还包括沿光路位于偏振片8和声光q开关2之间的第四全反镜7。

所述激光器内沿所述波片11的输出光路依次设有两反射面相互平行的分光镜12和第二输出镜13。

本实施例中，第三全反镜9、偏振片8、第四全反镜7、声光q开关2、1064nm激光模块1、挡板14、第一输出镜3、细孔光阑4、倍频晶体5和第二全反镜6沿光路依次布置。

所述偏振片8和第三全反镜9之间的光路方向与倍频晶体5和第二全反镜6之间的光路方向相平行，偏振片8和第三全反镜9之间的光路方向与激光模块1光路方向的夹角为10-50°，确保在激光光路不被干涉的前提下，尽可能将偏振片8和第三全反镜9之间的光路方向与倍频晶体5和第二全反镜6之间的光路方向的间距缩短，从而缩小激光器的体积。本实施例中，偏振片8和第三全反镜9之间的光路方向与激光模块1光路方向的夹角为33.5度。

激光器的壳体15内设有位于激光模块1与第一输出镜3之间的挡板14，该挡板14与激光器的壳体15之间为可旋转连接。

从z型谐振腔波片11射出的光为圆偏振激光。圆偏振激光分布均匀，加工钻石一类的超硬质材料是最适合的。工作时，从其中一个波片11射出的圆偏振激光穿过位于其出光口一侧的合束镜40，从另外一个波片11射出的圆偏振激光经第一全反镜39反射后照射在合束镜40上，两束圆偏振激光经合束镜40后合束向同一方向照射，此时经合束后的圆偏振激光其功率为未合束前的两倍，同时合束后的激光拥有较高的光束质量，切割超硬质材料时其切割精度更高，产品质量更好。此外，通过关闭其中一个z型谐振腔中的激光模块1，可以让激光器中只有一个z型谐振腔的激光射出，实现以较低功率来切割材料，应对不同功率的需求，从而具备切割不同材料的能力，无需设计两套不同的系统，节约成本。

本实施例中，基座16上还设有位于激光器下方的控制盒25和激光器电源26，激光器电源26与激光器连接。

切割头19包括升降机构，可根据夹具20上超硬材料的待切割位置调节聚焦镜的高度，确保落在待切割位置上的光斑尽可能小，热量足够高。

进行切割时，超硬质材料(例如钻石)被固定在粘接棒的一端，粘接棒被基座16上的夹具20固定住。如图3所示，夹具20包括分别上下布置的第一夹持部和第二夹持部。第一夹持部与第二夹持部通过第一螺栓相互连接。第一夹持部和第二夹持部两者相对的端面上设有上下一一对应的半圆柱面凹槽，一对半圆柱面凹槽构成水平延伸的圆形夹持孔。第一夹持部上设有粘接棒的锁紧结构，锁紧结构包括相互螺纹配合的紧固孔和锁紧螺钉。紧固孔和夹持孔一一对应，紧固孔竖直穿过第一夹持部并与夹持孔连通，锁紧螺钉一端从紧固孔伸入至夹持孔内并压住粘接棒。此外，第一夹持部和第二夹持部两者相对的端面上设有上下一一对应的凹槽也可以为三角形面凹槽，一对三角形面凹槽构成水平延伸的菱形夹持孔，菱形夹持孔可以夹住多种不同直径的粘接棒。夹具上的夹持孔数量为多条且并列布置，其排列方向水平延伸。

切割头19上设有吹扫机构24。吹扫机构24包括一端设有出气口的喷气管，喷气管的另一端为气体导管连接端。喷气管为两条且其中部与切割头19底部一侧均为转动连接，其摆动方向与夹具上夹持孔的排列方向相同。在切割超硬质材料的过程中，吹扫机构24可吹走附着在超硬质材料上的熔融物质，避免熔融物质对激光切割造成的阻碍，从而提高切割效率和切割精度。

45度反射镜17的上方设有与其平行布置的45度棱镜23，所述摄像头22的镜头水平朝向45度棱镜23。第二全反镜6和第三全反镜9的背侧均设有激光吸收板10，用于将极少量透过第二全反镜6和第三全反镜9的激光吸收掉。

此外，还可在基座16上设置水冷系统，水冷系统上设有用于给声光q开关2和1064nm激光模块1进行冷却的水冷管。

基座16上还设有扩束镜27的位置调节机构30。本实施例中，位置调节机构30包括能固定在基座16上的基板31、用于安装扩束镜27的套筒32、水平直线移动的第一平移板331、上下直线移动的第二平移板332和角度偏转板341。套筒32固定在第一平移板331上。基板31、角度偏转板341、第二平移板332和第一平移板331四者沿光路方向依次布置，且四者竖直布置。

第二平移板332上固设有水平导杆333，第一平移板331套设在水平导杆333上，且水平导杆333上还套设有位于第一平移板331与第二平移板332之间的弹簧。第二平移板332上设有与其螺纹配合、用于推动第一平移板331水平移动的第一推杆334，第一平移板331在弹簧作用下可复位。角度偏转板341上固设有竖直导杆342，第二平移板332套设在竖直导杆342上，且竖直导杆342上还套设有位于第二平移板332和角度偏转板341之间的弹簧。角度偏转板341上设有与其螺纹配合、用于推动第二平移板332向下移动的第二推杆343，第二平移板332在弹簧作用下可复位。通过操作第一推杆334和第二推杆343，可以调节扩束镜27的上、下、左、右位置。

角度偏转板341呈方形，其两个下角和其中一个上角处分别设有与基板31连接的第一螺丝弹簧组件35、第二螺丝弹簧组件36和第三螺丝弹簧组件37，其中，第三螺丝弹簧组件37位于第二螺丝弹簧组件36的正上方，每个螺丝弹簧组件均包括螺丝和套设在螺丝上的弹簧。根据情况拧动第一螺丝弹簧组件35、第二螺丝弹簧组件36和第三螺丝弹簧组件37三者，可以调节扩束镜27的水平摆动角度和上、下倾角，以在实际操作中获得最佳的光路。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。