微型雕刻机的制作方法

1.本技术涉及激光打标技术领域，特别是涉及一种微型雕刻机。


背景技术：

2.微型雕刻机是利用激光打标技术的一种小型雕刻机。激光打标技术是一种非接触、无污染、无损害的新型标记工艺，集激光技术、计算机技术和机电一体化技术为一身，是目前激光加工技术应用最广泛的一项先进制造技术。
3.激光打标原理是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。然而，目前市场上微型雕刻机的光源通常为一种波段的激光，而不同的材质对不同的激光波长的吸收不同，由此导致大多数微型雕刻机仅能对单一类别的产品进行打标，无法满足微型雕刻机对多材质进行打标的需求。
4.现有技术(cn208696546u)提出一种采用由光纤激光器和蓝光激光器作为打标光源的双波微型打标机，用于对多种不同材质进行打标。但该微型打标机需要两台不同波长的激光器，增大了体积，增加了成本，且两台不同波长的激光的光束需要准直共线聚焦到被打标表面的同一点，使得结构复杂，装调麻烦。因此，随着民用激光打标雕刻技术的研究发展，目前急需采用一台可适用于红外光和蓝光两个波段的微型雕刻机，用于民用的、便携式的并且可用于对不同材质进行打标的激光打标。


技术实现要素：

5.本技术主要提供一种微型雕刻机，以解决现有双波长微型雕刻机存在的体积大、成本高、内部结构复杂的问题。
6.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种微型雕刻机，包括依次排列的泵浦系统和光学谐振腔，其中，泵浦系统产生的泵浦光进入光学谐振腔激发脉冲激光，脉冲激光在光学谐振腔内振荡；微型雕刻机还包括频率变换单元和准直扫描系统；频率变换单元包括倍频晶体变频件和短波通滤光片，短波通滤光片设置在光学谐振腔外；准直扫描系统包括依次设置的准直系统、扫描振镜及场镜；其中，倍频晶体变频件设置在光学谐振腔内或光学谐振腔外，在光学谐振腔内振荡后的脉冲激光依次经过倍频晶体变频件和短波通滤光片后变换为绿脉冲光。
7.可选地，倍频晶体变频件为lbo非线性晶体变频件、ktp非线性晶体变频件、bibo非线性晶体变频件、ppln非线性晶体变频件或mgo:ppln非线性晶体变频件。
8.可选地，光学谐振腔包括激光输出镜；倍频晶体变频件为lbo非线性晶体变频件，且倍频晶体变频件设置在光学谐振腔内，且激光输出镜位于倍频晶体变频件和短波通滤光片之间；脉冲激光经过倍频晶体变频件后由光学谐振腔输出，并通过短波通滤光片过滤。
9.可选地，倍频晶体变频件在面向和背离激光输出镜的相对两面均设置有红外脉冲光和绿脉冲光双波长增透膜。
10.可选地，光学谐振腔包括激光输出镜；倍频晶体变频件为ktp非线性晶体变频件，且倍频晶体变频件设置在光学谐振腔外，且倍频晶体变频件位于激光输出镜和短波通滤光片之间；脉冲激光由光学谐振腔输出后依次经过倍频晶体变频件和短波通滤光片。
11.可选地，倍频晶体变频件在面向激光输出镜的一侧面设有红外脉冲光增透膜，所述倍频晶体变频件在面向所述短波通滤光片的一侧面设有绿脉冲光增透膜。
12.可选地，短波通滤光片为平面镜，短波通滤光片面向倍频晶体变频件的一侧面设有多层介质膜，短波通滤光片背离倍频晶体变频件的一侧面设置有绿脉冲光增透膜。
13.可选地，光学谐振腔包括增益介质及可饱和吸收体；泵浦光经过激光输入镜后进入光学谐振腔的增益介质内产生激光；增益介质为nd：yag晶体、nd：yvo4晶体、nd：gdvo4晶体、nd：ylf晶体、yb：yag晶体或nd：yag陶瓷，其中nd：yag晶体、nd：yvo4晶体和nd：yag陶瓷产生1064nm的激光，nd：gdvo4晶体产生1063nm的激光，nd：ylf晶体产生1047nm或1053nm的激光，yb：yag晶体产生1030nm或1050nm的激光；增益介质产生的激光通过可饱和吸收体的可饱和吸收作用转变为脉冲激光，可饱和吸收体为cr4 :yag晶体或半导体可饱和吸收体。
14.可选地，增益介质为nd：yag晶体或yb：yag晶体，且可饱和吸收体为cr4 :yag晶体时，增益介质与可饱和吸收体可键合为一体。
15.可选地，还包括依次设置的准直系统、扫描振镜及场镜，其中，准直系统包括相对设置的负焦距的凹面镜和正焦距的凸面镜；扫描振镜包括设置在x方向的x轴镜片、设置在y方向的y轴镜片及电控系统，其中，x轴镜片和y轴镜片均与电控系统连接，且可在电控系统的控制下分别在x方向和y方向转动；绿脉冲光依次通过准直系统及扫描振镜后形成扫描图像，且扫描图像经场镜聚焦后射出。
16.本技术公开了一种微型雕刻机，该微型雕刻机设置有由倍频晶体变频件和短波通滤光片构成的频率变换单元，其中，倍频晶体变频件可将激光器产生的红外脉冲激光转换成绿脉冲光，而短波通滤光片则可以对脉冲激光进行过滤处理，提高绿脉冲光的出光纯度，该绿脉冲光随后进入准直扫描系统进行准直聚焦和扫描成像操作，从而使得波长介于蓝光和红外光之间的绿脉冲光作为打标光源。由于绿脉冲光的波长介于蓝光和红外光之间，同时又具有高的峰值功率，绿脉冲光作为打标光源可兼顾蓝光和红外光双波长的激光打标，适用于更多的材质，从而避免了现有技术的微型雕刻机需要同时设置光纤红外光和蓝光这两种激光器的情形。因此，本技术仅需一台激光器，通过频率变换单元便可获得介于红外光和蓝光之间波长的绿脉冲光作为打标光源，进而可满足同时应用于多种不同材质产品的需求，极大程度地减小微型雕刻机的体积，降低微型雕刻机的成本，简化微型雕刻机的结构。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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，其中：
18.图1是本技术微型雕刻机的一个实施例的结构示意图；
19.图2与图1类似，是本技术微型雕刻机图1的实施例采用晶体键合后的结构示意图；
20.图3是本技术微型雕刻机的另外一个实施例的结构示意图；
21.图4是本技术微型雕刻机的ktp非线性晶体变频件的放置角度示意图；
22.图5是本技术微型雕刻机准直扫描系统的结构示意图；
23.图6是本技术扫描振镜的结构示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.本技术实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
26.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
27.请参阅图1，图1是本技术微型雕刻机100的一个实施例的结构示意图。
28.本技术提供了一种微型雕刻机100，其包括有泵浦系统10、光学谐振腔20、频率变换单元30及准直扫描系统40，其中，泵浦系统10和光学谐振腔20依次排列设置。
29.频率变换单元30包括倍频晶体变频件31和短波通滤光片32。短波通滤光片32设置在光学谐振腔20外，倍频晶体变频件31设置在光学谐振腔20内或光学谐振腔20外。泵浦系统10产生的泵浦光进入光学谐振腔20内的增益介质22中，在增益介质22内激发红外激光，并在光学谐振腔20内传播振荡，红外光在通过可饱和吸收体23时可产生高峰值功率的红外脉冲光，红外脉冲光通过倍频晶体变频件31时将发生频率变换并产生绿脉冲光。频率变换后的绿脉冲光通过激光输出镜24后，经由短波通滤光片32输出，该绿脉冲光随后进入准直扫描系统40进行准直聚焦和扫描成像操作，进而使得本技术微型雕刻机100可以利用该绿脉冲光作为激光打标的打标光源。
30.其中，倍频晶体变频件31可将振荡后的红外脉冲光转换成绿脉冲光，而短波通滤光片32则可以对输出的脉冲激光进行过滤处理，以提高倍频脉冲激光的出光纯度，从而使得波长介于蓝光和红外光之间绿脉冲光作为打标光源。由于绿脉冲光的波长介于蓝光和红外光之间，从而绿脉冲光作为打标光源可兼顾蓝光和红外光双波长的激光打标，适用于更多的材质，从而避免了现有技术的微型雕刻机100需要同时设置红外光和蓝光这两种波长的激光器的情形。因此，本技术仅需一台激光器，并通过频率变换单元便可获介于红外光和蓝光之间波长的绿脉冲光作为打标光源，进而可满足同时应用于多种不同材质产品的需求，极大程度地减小微型雕刻机100的体积，降低微型雕刻机100的成本，简化微型雕刻机
100的结构。
31.举例而言，红外光的波长可以是1064nm，蓝光的波长可以为450nm，绿脉冲光的波长可以为532nm，波长介于红外光和蓝光之间。
32.具体地，上述泵浦系统10包括泵浦源11和泵浦光耦合装置12。其中，泵浦源11可用于产生泵浦光，泵浦光耦合装置12则可以将泵浦光耦合聚焦到增益介质22内，泵浦源11和泵浦光耦合装置12形成脉冲激光的泵浦系统10。
33.在一个具体的实施例中，举例而言，泵浦源11可以为808nm光纤耦合输出的半导体激光器。该半导体激光器的输出功率为30w，光纤芯径为0.4mm，数值孔径n.a.为0.22。此外，泵浦源11也可以是快轴压缩的c-mount或cos封装的808nm半导体激光器，输出功率为10w，发光区条宽为0.2mm。用户可根据实际需要选择不同输出功率的泵浦源11，本技术在此不做限定。泵浦光耦合装置12可以是由焦距为10mm的两片凸面相对放置的平凸镜组成，或者是焦距2mm的非球面透镜，用户也可以根据实际需求来选择不同焦距的泵浦光耦合装置12，本技术在此不做具体限定。
34.具体地，光学谐振腔20包括依次设置的激光输入镜21、增益介质22、可饱和吸收体23和激光输出镜24。当泵浦源11被电激励时，泵浦源11把电功率转换为泵浦光，例如808nm泵浦光。泵浦光通过耦合光纤输出后，由泵浦光耦合装置12耦合聚焦到激光输入镜21，并由激光输入镜21进入到光学谐振腔20的增益介质22内产生激光，随后在光学谐振腔20的激光输入镜21和激光输出镜24之间进行传播振荡，而红外激光在通过可饱和吸收体23时又可通过可饱和吸收体23的可饱和吸收作用产生高峰值功率的红外脉冲光。
35.在一些具体的实施例中，激光输入镜21和激光输出镜24均为平面镜，且分别位于光学谐振腔20的两端。更为具体的，为提高脉冲激光进入光学谐振腔20的通过率和在光学谐振腔20内振荡时的脉冲激光反射率，激光输入镜21靠近泵浦光耦合装置12的一侧表面可设置有泵浦光增透膜，例如808nm波长增透膜。其中，增透膜又称减反射膜，主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。激光输入镜21背离泵浦光耦合装置12的一侧表面设有多层介质膜，例如，可设置808nm增透和1064nm高反射的多层介质膜，其中，介质膜为非金属化合物的镀膜材料，该多层介质膜同时具有增透泵浦光和高反射脉冲激光的功能。
36.举例而言，在一些具体的实施例中，增益介质22可以为nd：yag晶体、nd：yvo4晶体、nd：gdvo4晶体、nd：ylf晶体、yb：yag晶体或nd：yag陶瓷等，其中nd：yag晶体、nd：yvo4晶体和nd：yag陶瓷产生1064nm的激光，nd：gdvo4晶体产生1063nm的激光，nd：ylf晶体产生1047nm或1053nm的激光，yb：yag晶体产生1030nm或1050nm的激光。
37.举例而言，在一些具体的实施例中，可饱和吸收体23可以为cr4 :yag晶体或半导体可饱和吸收体。
38.需要说明的是，上述的增益介质22和可饱和吸收体23只要是能够实现相应功能的材质均可，本技术在此不做限定。
39.请参阅本技术图2，图2与图1类似，是本技术微型雕刻机100图1的实施例采用晶体键合后的结构示意图。在一个具体的实施例中，当增益介质22为nd：yag晶体或yb：yag晶体，且可饱和吸收体23为cr4 :yag晶体时，增益介质22与可饱和吸收体23可键合为一体，且输入镜21制备在增益介质22的泵浦光输入面。
40.请结合参阅图1至图3，具体地，沿着脉冲激光的射出路线方向，上述倍频晶体变频件31位于短波通滤光片32之前。其中，短波通滤光片32为平面镜，短波通滤光片32朝向倍频晶体变频件31的一侧面设置有多层介质膜。其中，该多层介质膜同时具有增透绿脉冲光和反射红外脉冲光的功能，短波通滤光片32背离倍频晶体变频件31的一侧面设置有绿脉冲光增透膜，例如532nm波长增透膜，从而当红外脉冲光和绿脉冲光通过短波通滤光片32时，红外脉冲光将被过滤掉，仅保留绿脉冲光。
41.举例而言，短波通滤光片32朝向倍频晶体变频件31的一侧面设置有532nm增透和1064nm高反射的多层介质膜，短波通滤光片32背离倍频晶体变频件31的一侧面设置有532nm波长增透膜。从而当1064nm红外脉冲光和532nm绿脉冲光通过短波通滤光片32时，1064nm红外脉冲光将被过滤掉，仅保留532nm绿脉冲光。
42.具体地，本技术的微型雕刻机100的倍频晶体变频件31可以为lbo非线性晶体变频件(三硼酸锂晶体，即是lib3o5)、ktp非线性晶体变频件(磷酸氧钛钾晶体，即是ktiopo4)、bibo非线性晶体变频件(三硼酸铋晶体，即是bib3o6)、ppln非线性晶体变频件(周期性极化铌酸锂晶体，即是periodically poled lithium niobate)或mgo:ppln非线性晶体变频件(氧化镁掺杂周期极化铌酸锂晶体)。即是，不管倍频晶体变频件31设置在光学谐振腔20内还是光学谐振腔20外，倍频晶体变频件31均可根据需要选择为lbo非线性晶体变频件或ktp非线性晶体变频件。
43.请参阅图1和/或图2，在一个具体的实施例中，倍频晶体变频件31设置在光学谐振腔20内，且倍频晶体变频件31设置为lbo非线性晶体变频件。短波通滤光片32设置在光学谐振腔20外，激光输出镜24位于倍频晶体变频件31和短波通滤光片32之间；脉冲激光经过倍频晶体变频件31后由光学谐振腔20输出，并通过短波通滤光片32过滤。
44.具体地，该lbo非线性晶体变频件的长度可以设置为10mm，通光孔径是3x3mm2，按θ＝90，的角度切割，且lbo非线性晶体变频件的z主轴与红外脉冲激光的偏振方向呈0度夹角放置。当然，用户也可根据具体情况设置其他类型晶体变频件，本技术在此不做限定。
45.使用时，泵浦源11被电激励，从而将电功率转换为泵浦光，泵浦光耦合装置12将该泵浦光耦合聚焦到增益介质22内，如果增益介质22采用掺钕离子的yag激光晶体(钇铝石榴石，即是y3ai5o12)，将会产生红外光，该红外光将在光学谐振腔20内的激光输入镜21和激光输出镜24之间传播振荡以形成红外激光。当红外激光通过可饱和吸收体23时，可饱和吸收体23将会产生可饱和吸收作用，对红外激光进行脉冲能量积累，进而可以获得高峰值功率的红外脉冲光。该红外脉冲光在通过倍频晶体变频件31时，将产生倍频变换，进而形成绿脉冲光，随后绿脉冲光将通过激光输出镜24输出到光学谐振腔20之外。激光输出镜24面向倍频晶体变频件31一侧的表面设置有多层介质膜，例如可设置1064nm高反射和532nm增透的多层介质膜，该多层介质膜同时具备反射红外脉冲光和增透绿脉冲光的功能，激光输出镜24面向短波通滤光片32的一侧表面设置有绿脉冲光增透膜，例如532nm波长增透膜，从而可实现红外脉冲光在光学振荡腔内的反复振荡，同时增强绿脉冲光的输出率。当脉冲激光从光学振荡腔内输出后，该脉冲激光除了绿脉冲光外，可能还存在少量的红外脉冲光，因此，短波通滤光片32朝向激光输出镜24一侧的表面设置有多层介质膜，例如可设置1064nm高反射和532nm增透的多层介质膜，该多层介质膜同时具有增透绿脉冲光和反射红外脉冲
光的功能，短波通滤光片32背离激光输出镜24一侧的表面设置有绿脉冲光增透膜，例如532nm波长增透膜，从而当红外脉冲光和绿脉冲光通过短波通滤光片32时，红外脉冲光将被过滤掉，仅保留绿脉冲光，进而可获得更纯粹的绿脉冲光。
46.值得注意地是，在该具体的实施例中，倍频晶体变频件31在面向和背离激光输出镜24的相对两面均设置有红外脉冲光和绿脉冲光双波长增透膜，例如设置1064nm增透和532nm增透的双波长增透膜，该双波长增透膜允许红外脉冲光和绿脉冲光两种波长光通过高透射基片，进而可以实现在保证绿脉冲光通过的同时，尽可能多地对红外脉冲光进行倍频变换。
47.请参阅图3，图3是本技术微型雕刻机100的另外一个实施例的结构示意图。在另外一个具体的实施例中，倍频晶体变频件31设置在光学谐振腔20外，倍频晶体变频件31设置为ii类相位匹配的ktp非线性晶体变频件。位于激光输出镜24和短波通滤光片32之间；脉冲激光由光学谐振腔20输出后依次经过倍频晶体变频件31和短波通滤光片32。
48.具体地，该ktp非线性晶体变频件的长度可以设置为10mm，通光孔径是3x3mm2，按θ＝90、的角度进行切割。请参阅图4，图4是本技术微型雕刻机100的ktp非线性晶体变频件的放置角度示意图。在图4中，ktp非线性晶体变频件的主轴z轴与红外脉冲光的偏振方向l的夹角α呈45度。当然，用户也可根据具体情况设置其他类型晶体变频件，本技术在此不做限定。
49.使用时，泵浦源11被电激励，从而将电功率转换为泵浦光，泵浦光耦合装置12将该泵浦光耦合聚焦到增益介质22内，如果增益介质22采用掺钕离子的yag激光晶体，将会产生红外光，该红外光在光学谐振腔20内的激光输入镜21和激光输出镜24之间传播振荡以形成红外激光。当红外激光通过可饱和吸收体23时，可饱和吸收体23将会产生可饱和吸收作用，对红外激光进行脉冲能量积累，进而可以获得高峰值功率的红外脉冲光。其中，激光输出镜24背离倍频晶体变频件31一侧的表面设置有红外脉冲光部分反射膜，其中，部分反射膜是把入射到激光输出镜的部分红外脉冲光反射到光学谐振腔20内，以实现红外脉冲光在光学谐振腔20内的激光输入镜21和激光输出镜24之间传播振荡并放大，部分红外脉冲光输出到光学谐振腔20外，激光输出镜24面向倍频晶体变频件31一侧的表面则设置有红外脉冲光增透膜，例如1064nm波长增透膜。当部分脉冲红外光传播出光学谐振腔20后，将进入倍频晶体变频件31进行倍频变换，进而产生绿脉冲光。尽管红外脉冲光经过倍频晶体变频件31后大多被转换成了绿脉冲光，但通过倍频晶体变频件31的脉冲激光中仍然可能存在红外脉冲光，因此，脉冲激光通过倍频晶体变频件31后，还将通过短波通滤光片32，短波通滤光片32朝向倍频晶体变频件31一侧的表面设置有多层介质膜，例如，可设置1064nm高反射和532nm增透的多层介质膜，该多层介质膜具有增透绿脉冲光和反射红外脉冲光的功能，背离倍频晶体变频件31一侧的表面则设置有绿脉冲光增透膜，例如532nm波长增透膜，短波通滤光片32上膜的设置可实现绿脉冲光的高透过率和红外脉冲光的过滤，以获得更纯粹的绿脉冲光。
50.值得注意地是，在该具体的实施例中，倍频晶体变频件31可在面向激光输出镜24一侧的表面设置红外脉冲光增透膜，例如1064nm波长增透膜，并在面向短波通滤光片32一侧的表面设置绿脉冲光增透膜，例如532nm波长增透膜，以极大程度地提高倍频晶体变频件31的倍频效率。
51.具体的，请参阅图5，图5是本技术微型雕刻机100的准直扫描系统40的结构示意图。本技术的微型雕刻机100在如前所述的泵浦系统10、光学谐振腔20和频率变换单元30基础之上，还包括依次设置的准直系统41、扫描振镜42及场镜44。其中，准直系统41包括相对设置的负焦距的凹面镜和正焦距的凸面镜，举例而言，双凹镜的焦距可以设置为-2mm，凸面镜的焦距可以设置为30mm，以更好地实现对脉冲激光光束的校准和光斑的放大。
52.请参阅图6，图6是本技术扫描振镜42的结构示意图。扫描振镜42包括设置在x方向的x轴镜片46、设置在y方向的y轴镜片47及电控系统43，其中，x轴镜片46和y轴镜片47均与电控系统43连接，且可在电控系统43的控制下分别在x方向和y方向转动，绿脉冲光依次通过准直系统41及扫描振镜42后形成扫描图像，扫描图像最后经场镜44聚焦后射出，进而可实现对标的物品45进行激光打标。
53.以上仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。