CN101670486A - 旋转双光楔激光微孔加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转双光楔激光微孔加工装置，其特点它包括由激光器、扩束镜及激光传输系统组成的超短脉冲的激光输出系统；由两个光楔、双光楔支承旋转机构及控制系统组成的双光楔光束偏转系统；由一个激光聚焦镜组及调焦机构组成的激光聚焦系统；由加工件安装机构及二维位移平台组成的加工件吸附定位位移系统和计算机系统。本发明选择高质量光束的DPSS激光器，用达到或接近衍射极限的激光聚焦系统，获得精细的聚焦光束，利用双光楔高速旋转加工微孔，因此本发明的优点是降低孔径边缘的热影响区，提高了孔型精度和工作效率。

Description

旋转双光楔激光微孔加工装置

技术领域

本发明涉及一种旋转双光楔激光微孔加工装置，属于激光精细加工技术应用领域

背景技术

激光微孔加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行微钻孔加工，涉及到光、机、电、计算机控制、材料特性及检测等多学科综合技术。激光打孔在汽车、微电子、光通讯、航天航空、生物医学、太阳能及燃料电池新能源等高新技术产业领域有广泛应用，改进或取代了某些传统加工方式。目前世界上半导体集成电路产业发展迅猛，计算机、手机电路板、便携式消费电子产品采用高密度多层PCB，体积紧凑并向小型化发展；半导体芯片制作、测试和封装要求不断提高，其结构更加紧凑、外形体积不断缩小。传统的机械打孔或冲孔等加工方式无法满足需求。

先进的DPSS激光器，利用其纳秒级的超短脉冲和几十到几百千瓦的峰值功率输出特性，能成功地应用于宝石、氧化铝陶瓷、不锈钢及一些碳钢等不同材料上的精细加工。在激光加工过程中，材料产生蒸汽或等离子体而非液体，在蒸汽或等离子体内部具有极大的压力使得被加工材料产生喷射过程。此外，每个激光脉冲引起的材料内部热传导也极为有限，再加上加工过程产生的等离子体对激光束的传导存在屏蔽效应，使得每个激光脉冲去除的材料层厚度只几个微米。由此，我们可以提高激光束强度深入材料内部加工而不会损坏微孔周围的材料。

激光精细加工微孔成型技术目前主要有三种：固定光束单脉冲加工单元微孔、振镜扫描和工件旋转打孔。固定光束单脉冲加工单元微孔是由固定激光聚焦镜结合高精度位移平台移动工件来完成，提供了高精度和高准确性，并能得到激光加工光学系统所限的最小微孔直径。但在一个点上激光烧灼一段相当长的时间，小孔的边缘肯定有着热效应引起的碳化层、熔化层，或在材料顶部存在堆积物的现象。还有一个问题是要想得到不同的微孔直径，在这种方式下，只能靠换聚焦镜头来实现。振镜扫描加工微孔，定位速度快，由于振镜的高速响应，打数量众多的列阵孔比较合适。而且孔的大小可以很方便地用软件来控制，走出各种事先设定好的轨迹，所以可以加工各种异型孔，比如方孔、三角形孔、星型孔等，但由于它们缺乏在大范围的局部小区域内的高定位精度，因此在小孔直径小于250微米时不宜采用此方案。另外在激光精细加工时，经常把激光光束扩束以达到聚焦光点足够小的目的，这时的振镜反射片尺寸相对较大，也会影响系统响应频率和加工效率。微孔加工还有一种方法是采用固定光束聚焦，工件高速旋转，其旋转轴偏离加工光轴，调节偏离距离就能得到不同尺寸的小孔。这种方案能减少微孔成型过程中小孔边缘的热影响，但由于工件旋转时惯量大，而且只能打单一孔，只能应用于在小的圆形同轴零件上加工单个微孔的场合。

发明内容

为了克服现有装置在激光精细加工列阵微孔成型中孔径边缘的热影响和孔型精度不够高的缺点，提供一种旋转双光楔激光微孔加工装置。

技术方案

一种旋转双光楔激光微孔加工装置，其特点是它包括：

1.由激光器、扩束镜及激光传输系统组成的超短脉冲的激光输出系统：所述激光器为一台输出纳秒级脉冲平行光的DPSS固态激光器，采用电脑控制激光器的开关信号及调节激光器的输出功率和重复频率，经由扩束镜扩束和激光传输系统的传输至双光楔光束偏转系统处；

2.包括两个光楔、双光楔支承旋转机构及控制系统的双光楔光束偏转系统：两个光楔片完全相同，光楔片的支承旋转机构使得两个光楔片互相平行并与入射光束的光轴垂直，两个光楔片能绕入射光束的光轴分别旋转或共同旋转；支承旋转机构的电气控制系统控制两个光楔片绕入射光束的光轴分别或共同旋转，能控制两个光楔片的相对角度使得平行光束经过两个光楔片后产生0～2δ₀角度偏离；所述双光楔支承旋转机构最大转速达3000转/分；

3.包括一个激光聚焦镜组及调焦机构的激光聚焦系统：所述激光聚焦镜组达到或接近衍射极限，所述调焦机构用于调节激光聚焦镜组与加工工件之间的距离，保证加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上；

4.包括加工件安装机构及二维位移平台的加工件吸附定位位移系统：所述的安装机构用于定位套准，并能使加工件的表面水平及平整；微孔加工的中心位置是由高精度的二维工作位移平台来实现；

5.计算机系统：所述的计算机系统中加装运动控制卡，同步控制激光器开关、激光器输出功率和重复频率调节、控制双光楔片绕入射光轴分别或共同旋转、激光调焦及二维工作位移平台的运动和定位套准。

所述的计算机系统其软件主要包括：

(1).激光器控制模块：控制激光器的开关、控制激光器输出功率和重复频率调节等工作参数；

(2).旋转机构控制模块：调节两个光楔片的相对角度，控制两个光楔片绕入射光束的光轴分别或共同同轴旋转；

(3).调焦模块：控制调焦机构调节激光聚焦镜组与加工工件之间的距离，保证加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上；

(4).位移控制模块：控制高精度二维工作位移平台定点移动，实现微孔列阵中心点位置的确定。

旋转双光楔激光微孔加工装置工作原理：

一个折射率为n的棱镜，顶角为α，入射光线经棱镜偏折后的转折角为δ。当折射棱镜的顶角足够小，以致使所产生的色散觉察不出来时，这种折射棱镜通常称为光楔或楔形镜(如图2所示)。这时有：

δ＝(n-1)α

当光楔围绕入射光的光轴同轴旋转时，出射光线也围绕光轴旋转，并在与光轴垂直的平面上描绘出一个圆周；把两个这样的光楔平行放置，并与入射光光轴垂直，假设它们的转折角分别为δ₁和δ₂，两个光楔的相对偏角为β，这时入射光通过两个光楔后的总转折角δ为：

δ²＝δ₁ ²+δ₂ ²+2δ₁δ₂cosβ

选择两个光楔完全相同，即有δ₁＝δ₂＝δ0，我们可以得到合成的转折角为：

δ＝2δ₀cosβ/2

当0≤β≤2π时，有：

0≤|δ|≤2δ₀

一束平行入射光与聚焦镜光轴夹角为β，经焦距为f的聚焦镜会聚后聚焦于焦平面偏离光轴的某点处，该点与聚焦镜中心焦点之间有距离r(如图3所示)：

r＝δf

所以有：r＝2δ₀fcosβ/2

由此可见，双光楔共同绕入射激光光轴同轴旋转，并经由激光聚焦透镜组会聚至工作面上，使得激光在工作面上进行精确螺旋加工(图1)。双光楔分别绕入射光轴旋转时，改变它们之间的相对偏角，也即改变了工作面上的圆周直径。螺旋钻孔的优势是扩大激光钻孔的范围而得到较大的直径并能保持孔的圆度，螺旋钻孔的另一个显著优点是只需去除一个圆环内的材料，而不是整个圆内的材料，提高了工作效率。

由于本发明选择高质量光束的DPSS激光器，用达到或接近衍射极限的激光聚焦系统，获得精细的聚焦光束，利用双光楔高速旋转加工微孔，因此本发明的优点是降低孔径边缘的热影响区，提高了孔型精度和工作效率。

附图说明

图1为精确螺旋钻孔示意图；

图2为光楔或楔形镜示意图；

图3为激光聚焦原理图；

图4为双光楔旋转原理示意图；

图5为旋转双光楔激光微孔加工装置原理框图；

图6为旋转双光楔激光微孔加工装置光路示意图；

图7为双光楔旋转机构示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式结合附图作一说明：

由图5所示，一种旋转双光楔激光微孔加工装置，其特点是它包括：

1.由激光器、扩束镜及激光传输系统组成的超短脉冲的激光输出系统：所述激光器为一台输出纳秒级脉冲平行光的DPSS固态激光器，采用电脑控制激光器的开关信号及调节激光器的输出功率和重复频率，经由扩束镜扩束和激光传输系统的传输至双光楔光束偏转系统处；

2.由两个光楔、双光楔支承旋转机构及控制系统组成的双光楔光束偏转系统(如图4所示)：两个光楔片完全相同，光楔片的支承旋转机构使得两个光楔片互相平行并与入射光束的光轴垂直，两个光楔片能绕入射光束的光轴分别旋转或共同旋转；支承旋转机构的电气控制系统控制两个光楔片绕入射光束的光轴分别或共同旋转，能控制两个光楔片的相对角度使得平行光束经过两个光楔片后产生0～2δ₀角度偏离；所述双光楔支承旋转机构最大转速达3000转/分；

3.由一个激光聚焦镜组及调焦机构组成的激光聚焦系统：所述激光聚焦镜组达到或接近衍射极限，所述调焦机构用于调节激光聚焦镜组与加工工件之间的距离，保证加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上；

4.由加工件安装机构及二维位移平台组成的加工件吸附定位位移系统：所述的安装机构用于定位套准，并能使加工件的表面水平及平整；微孔加工的中心位置是由高精度的二维工作位移平台来实现；

5.计算机系统：所述的计算机系统中加装运动控制卡，同步控制激光器开关、激光器输出功率和重复频率调节、控制双光楔片绕入射光轴分别或共同旋转、激光调焦及二维工作位移平台的运动和定位套准。

所述的计算机系统其软件主要包括：

(1).激光器控制模块：控制激光器的开关、控制激光器输出功率和重复频率调节等工作参数；

(2).旋转机构控制模块：调节两个光楔片的相对角度，控制两个光楔片绕入射光束的光轴分别或共同同轴旋转；

(3).调焦模块：控制调焦机构调节激光聚焦镜组与加工工件之间的距离，保证加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上；

(4).位移控制模块：控制高精度二维工作位移平台定点移动，实现微孔列阵中心点位置的确定。

由图6所示，DPSS激光器1输出受控的高重复频率超短脉冲激光，经过扩束镜2扩束准直并通过光路传导及反射镜3进入双光楔旋转机构4，加工材料5安装在高精度二维位移平台6上，微孔的中心位置由位移平台6运动决定。

双光楔旋转机构由图7所示，两个相同的光楔片13和19平行放置并与入射光光轴垂直，两个光楔片13和19之间有一定的相对偏角β，使出射光相对聚焦透镜组20的光轴也有一个可以控制的夹角，并通过聚焦透镜组20调焦机构7会聚在聚焦透镜组20焦平面上，形成一个细微的、高能量密度焦斑；焦斑位于加工面附近，以瞬间高温熔化或汽化被加工材料5。每一个高能量的激光脉冲瞬间就能在物体表面溅射出一个细小的孔。由于出射光相对聚焦透镜组20光轴有夹角δ，聚焦光斑偏离聚焦透镜组20的焦点位置，偏离的距离r与该夹角成正比。旋转电机8通过传动机构控制两个光楔片13和19同步高速旋转，聚焦光斑围绕聚焦透镜组的光轴旋转加工，加工的微孔直径与两个光楔片13和19之间的相对偏角相关，旋转电机8通过传动机构10、11、12和离合器17控制两个光楔的相对偏角，就能控制微孔直径大小，根据需要可以加工不同直径的通孔和盲孔。

具体为：双光楔旋转机构4安装在可以上下调焦的一维运动平移台即调焦机构7上，电机座9、光楔支承座15和18及聚焦透镜组座21均固定在调焦机构7上；两个相同的光楔片13和19分别胶合在光楔主动旋转体14和光楔从动旋转体17里；电机8固定在电机座9上，同步带轮10安装在电机8的轴上，另一个相同的同步带轮12安装在光楔主动旋转体14上，同步带轮10和12通过同步齿形带11连接。当电机8带动同步带轮10旋转时，同步带轮12通过同步齿形带11的传动也同步高速旋转，同时带动胶合在光楔主动旋转体14里的光楔片13旋转。光楔主动旋转体14固定在带有轴承的光楔支承座15上，而光楔从动旋转体17则固定在带有轴承的光楔支承座18上，光楔主动旋转体14和光楔从动旋转体17通过离合器16同轴联接。当离合器16把光楔主、从动旋转体14和17接合在一起时，旋转电机8通过传动机构10、11、12控制两个光楔片13和19同步高速旋转；当离合器16脱开时，光楔主、从动旋转体14和17分离，旋转电机8通过传动机构10、11、12将光楔主动旋转体里的光楔13旋转一个设定的角度，使两个光楔片产生一个相对偏角，离合器16再接合，电机8通过传动机构10、11、12使光楔主、从动旋转体14和17里的光楔13和19又同时旋转，微孔直径则发生了改变，从而实现微孔直径的控制。

Claims (2)

1.一种旋转双光楔激光微孔加工装置，其特征在于，它包括：

(1).由激光器、扩束镜及激光传输系统组成的超短脉冲的激光输出系统：所述激光器为一台输出纳秒级脉冲平行光的DPSS全固态激光器，采用电脑控制激光器的开关信号及调节激光器的输出功率和重复频率，经由扩束镜扩束和激光传输系统的传输至双光楔光束偏转系统处；

(2).由两个光楔、双光楔支承旋转机构及控制系统组成的双光楔光束偏转系统：两个光楔片完全相同，光楔片的支承旋转机构使得两个光楔片互相平行并与入射光束的光轴垂直，两个光楔片能绕入射光束的光轴分别旋转或共同旋转；支承旋转机构的电气控制系统控制两个光楔片绕入射光束的光轴分别或共同旋转，能控制两个光楔片的相对角度使得平行光束经过两个光楔片后产生0～2δ₀角度偏离；所述双光楔支承旋转机构最大转速达3000转/分；

(3).由一个激光聚焦镜组及调焦机构组成的激光聚焦系统：所述激光聚焦镜组达到或接近衍射极限，所述调焦机构用于调节激光聚焦镜组与加工工件之间的距离，保证加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上；

(4).由加工件安装机构及二维位移平台组成的加工件吸附定位位移系统：所述的安装机构用于定位套准，并能使加工件的表面水平及平整；微孔加工的中心位置是由高精度的二维工作位移平台来实现；

(5).计算机系统：所述的计算机系统中加装运动控制卡，同步控制激光器开关、激光器输出功率和重复频率调节、控制双光楔片绕入射光轴分别或共同旋转、激光调焦及二维工作位移平台的运动和定位套准。

2.根据权利要求1所述的旋转双光楔激光微孔加工装置，所述的计算机系统其软件主要包括：

(1)激光器控制模块：控制激光器的开关、控制激光器输出功率和重复频率调节等工作参数；

(2)旋转机构控制模块：调节两个光楔片的相对角度，控制两个光楔片绕入射光束的光轴分别或共同同轴旋转；

(3)调焦模块：控制调焦机构调节激光聚焦镜组与加工工件之间的距离，保证加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上；

(4)位移控制模块：控制高精度二维工作位移平台定点移动，实现微孔列阵中心点位置的确定。

Images