CN101856772A

CN101856772A - 一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统

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Publication number: CN101856772A
Application number: CN201010183539A
Authority: CN
Inventors: 张立国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2010-10-13

Abstract

本发明属于激光加工领域，一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统。本发明的重要特点是：将光束旋转聚焦的激光加工方法和振镜扫描激光加工方法组合成为一种新的加工方式，能够形成比较宽的切缝，便于切割缝隙里面的熔渣喷出来；如果激光是高斯分布，那么激光加工具备高斯强度分布的激光加工效果，同时具备能够实现平顶激光的激光加工效果；用纳秒激光实现超短脉宽激光的加工效果，但加工效率相比而言获得极大提高；控制简单灵活，加减速度快，体积小，成本低。

Description

一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统

技术领域本发明属于激光加工领域，特别是激光铣削、切割和钻孔等领域。

背景技术

转镜式扫描系统，其工作原理是将从谐振腔中导出的激光通过扩束，经过空间成90°安装的两个步进电机驱动的反射镜的反射，由F-theta场镜聚焦后输出作用于处理对象上，反射镜的转动使工作平面上的激光作用点分别在X、Y轴上移动，两个镜面协同动作使激光可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动。

振镜扫描加工技术同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。振镜扫描式打标头主要由XY扫描镜、场镜、振镜及计算机控制的打标软件等构成。其工作原理是将激光束入射到两反射镜(扫描镜)上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记

使用振镜扫描仪，配置相应的光学聚焦系统，移动焦点位置，可以实现一些材料上面的激光钻铣、切割、标记，但由于热量累积，导致孔内或者切逢内残留有熔化层；被高强度的激光脉冲熔化或者汽化的材料在被自己的蒸汽传送出去以前，会在孔壁上凝结或者重铸；在很多应用中，还存在材料熔渣出不来，激光能量下不去的情况。于是出现了激光光束移动螺旋式钻孔方式。

光束旋转激光钻孔技术为了进行螺旋式打孔，使用旋转楔形棱镜或者离轴旋转透镜等构成光束旋转器，实现激光光束的旋转，它可以被安装到一个空心轴传动高速电动机上。激光束被严格的调整，高速旋转的光束经过光学聚焦系统，激光焦点会在工件表面旋转，从而加工出所需要的结果，工件固定在二维移动平台，就可以实现大幅面的激光加工。但是二维工作平台存在成本高，控制繁琐，加减速度慢等缺点。

发明内容

本发明的目的在于，把激光光束旋转聚焦加工方式和扫描振镜聚焦加工方式结合起来，形成一种全新的组合加工方式，具备激光光束旋转加工和振镜控制的双重优点。

本发明的目的是这样实现的：激光光束经过光束旋转装置，激光光束围绕旋转轴线旋转；旋转的光束经过一片或者多片反射镜后，进入光学聚焦系统；反射镜的反射角度变化，旋转的激光焦点会在工件表面形成一定的扫描轨迹，轨迹线宽由聚焦光斑和光束旋转直径决定，轨迹路径由光束旋转器和反射镜扫描系统决定。

光束旋转装置，可以由旋转楔形棱镜或者棱镜组合，或者离轴旋转透镜，或者倾斜旋转透镜或者倾斜平板光学模块等形式构成。

本发明，一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明提出将光束旋转聚焦的激光加工方法和振镜扫描激光加工方法结合起来组合成为一种新的加工方式，相对于光束旋转聚焦的激光加工方法，在加工各种图形零件时候，本发明控制简单灵活，加减速度快，体积小，成本低，总之具备振镜扫描激光加工所有优点。

2.本发明提出将光束旋转聚焦的激光加工方法和振镜扫描聚焦加工方法结合起来成为一种新的加工方式，相对于振镜扫描激光加工方法，在一些特殊材料的加工方面，具备光束旋转聚焦的激光切割方法的优点：激光焦点可以高速旋转，其转速可达8000转/分钟甚至更高，远非振镜扫描能够达到。在不锈钢钻孔铣削切割、陶瓷钻孔铣削切割、蓝宝石钻孔铣削切割以及玻璃钻孔铣削切割等一些应用中，较小的聚焦光斑有利于汽化这些材料，但是过小的切割线宽，切割缝隙里面的熔渣喷出不来，会导致激光切割不下去，本发明的技术方案，能够形成比较宽的切缝，便于切割缝隙里面的熔渣喷出来。

3.本发明提出的这种系统，光束可以高速旋转，这是振镜无法实现的；振镜扫描可以实现复杂图形的高速精准的激光加工，控制方便简单，这是单纯的光束旋转聚焦的激光切割方法做不到的。

4、本发明提出的这种系统，如果激光是高斯分布，那么激光加工具备高斯强度分布的激光加工效果，同时具备能够实现平顶激光的激光加工效果；本发明能够用纳秒激光实现超短脉宽激光加工效果，但是加工效率相比而言获得极大提高。

附图说明

通过以下对本发明，一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1实施例一是不锈钢钻孔；

图2实施例二是硅片切割；

具体实施方式

请参见图1所示，这是本发明一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统的一种实施例，待加工材料为1毫米厚度不锈钢薄板。1是入射扩束准直光束，光束直径5毫米，3为倾斜平板玻璃，厚度1毫米，倾斜角度18度，4为准直输出光束，准直光束1和4平行，间距100微米，2为光束旋转器筒，3固定在2里面，2固定在高速空心马达里面，可以高速旋转，这样光束4实际就围绕以光束1的中心线为轴线高速旋转，旋转直径200微米。9为振镜第一反射镜片，由振镜电机11的主轴10夹持，4经9反射，输出准直光束8，光束4在空间旋转时候，8也会在空间旋转。8经反射镜6反射形成准直光束7，反射镜6固定在振镜电机的主轴5上。准直光束经过远心聚焦镜头12后形成汇聚激光13，13的焦点落在工件14上，远心镜12的焦距为100毫米。激光参数：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于90％，平均功率30瓦，单模，脉冲重复频率100千赫兹。2的转速3000转/分钟，4的转速是6000转/分钟，其轨迹形成圆柱面；相应的，光束7的转速也是6000转/分钟，13在14上面的激光焦点旋转速度也是6000转/分钟。振镜镜片9与6锁定不动，激光13就会在14上面钻出200微米直径的盲孔或者通孔；6与9配合，每加工完毕一个孔，就把焦点移动到下一个位置，6和9再一次锁定不动，激光13会在相应位置，钻出200微米直径的盲孔或者通孔，如此，可以钻出所需要的通孔或者盲孔阵列。由于工件14比较后，可以在激光焦点范围内设计出两个激光焦点，这样不用移动焦点位置，就可以一次钻出通孔。如果加工幅面不够大，实际上还可以把工件14至于移动平台上，这样可以实现大范围的激光加工。

请参见图2所示，这是本发明一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统的另一种实施例，待加工材料为300微米厚度硅片。1是入射扩束准直光束，光束直径5毫米，3为两块对放的棱镜，4为准直输出光束，准直光束1和4平行，间距100微米，2为光束旋转器筒，3固定在2里面，2固定在高速空心马达里面，可以高速旋转，这样光束4实际就围绕以光束1的中心线为轴线高速旋转，旋转直径200微米。9为振镜第一反射镜片，由振镜电机11的主轴10夹持，4经9反射，输出准直光束8，光束4在空间旋转时候，8也会在空间旋转。8经反射镜6反射形成准直光束7，反射镜6固定在振镜电机的主轴5上。准直光束经过扫描平场镜21后形成汇聚激光13，13的焦点落在工件22上。激光参数：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于90％，平均功率30瓦，单模，脉冲重复频率100千赫兹。2的转速3000转/分钟，4的转速是6000转/分钟，其轨迹形成圆柱面；相应的，光束7的转速也是6000转/分钟，13在14上面的激光焦点旋转速度也是6000转/分钟。振镜镜片9与6锁定不动，激光13就会在22上面钻出200微米直径的盲孔或者通孔；6与9配合，每加工完毕一个孔，就把焦点移动到下一个位置，6和9再一次锁定不动，激光13会在相应位置，钻出200微米直径的盲孔或者通孔，如此，可以钻出所需要的通孔或者盲孔阵列。如果孔是连续的，则实现硅片切割。

上述实施例只是本发明的几个具体应用。实际上其原理应用不限于上面所述情形，例如还可以在透明材料或者硬脆材料上加工锥形孔甚至盲孔等。

总之，本发明提出一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统，其重要特点是：将光束旋转聚焦的激光加工方法和振镜扫描激光加工方法组合成为一种新的加工方式，能够形成比较宽的切缝，便于切割缝隙里面的熔渣喷出来；如果激光是高斯分布，那么激光加工具备高斯强度分布的激光加工效果，同时具备能够实现平顶激光的激光加工效果；用纳秒激光实现超短脉宽激光加工效果，但加工效率相比而言获得极大提高；控制简单灵活，加减速度快，体积小，成本低。

Claims

1.一种光束旋转振镜扫描聚焦加工系统，其主要特征在于，光束经过光束旋转装置围绕旋转轴线旋转；旋转的光束经过含一片或者两片反射镜的扫描系统后，进入光学聚焦系统；反射镜的反射角度有规律地变化，旋转的激光焦点会在工件表面形成一定的扫描轨迹。

2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于光学聚焦系统是远心聚焦镜头或者扫描平场镜头。

3.如权利要求2所述的一种方法，其特征在于其反射镜系统是振镜扫描系统。

4.如权利要求2或者3所述的一种方法，其特征在于光束旋转轨迹是圆柱面。

5.如权利要求2或者3所述的一种方法，其特征在于光束旋转轨迹是圆锥面。

6.如权利要求4或者5所述的一种方法，其特征在激光焦点范围存在两个聚焦点。