CN103203541A - 一种激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光加工装置，包括入射光束偏移运动控制模块、激光光束旋转运动模块和激光聚焦与焦点切换模块，入射光束偏移运动控制模块通过调制入射激光束的传输方位，以形成发射到所述激光光束旋转运动模块的第一光束，并自动调节所述第一光束的运动轨迹轮廓大小；激光光束旋转运动模块使得所述从激光光束旋转运动模块输出的第二光束沿着所述第一光束的光轴进行旋转；激光聚焦与焦点切换模块用于对从所述激光光束旋转运动模块输出的第二光束进行聚焦，并控制激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对激光焦点进行辅助运动控制。本发明有益效果是能够自动动态改变旋转光束扫描填充轨迹轮廓大小、加工速度快、精度高。

Description

一种激光加工装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种复杂激光光束运动控制的激光加工装置。

背景技术

激光钻孔领域，激光焦点在孔和孔之间切换，目前振镜扫描是比较成熟的最快的切换方式，表现在高的加减速、位移线速度以及定位速度。二维位移平台是很慢的一种方式，一般很少采用了。

申请号为201010183539.7的专利，所采用的光束旋转模块，在加工过程中不可以动态改变光束旋转直径，只适合在同一加工件表面钻孔孔径较少变化的情形使用，因此有一定局限性。

申请号为200380110303.9的专利，振镜用于激光焦点的切换是一种较好的方案，但是，振镜前面的光束圆周调制运动是通过反射镜，反射调制激光做圆周运动，其缺点是激光是做锥形旋转运动，特别是2片以及2片以上的反射镜组合使用，且反射镜片间距稍大的时候，激光束经过多次反射，激光光束调制轨迹不易控制，不适用于进行精细加工的情况。，这种方式对100微米以下的小孔径高速高精度钻孔是不理想的，且钻取的孔型是入口小出口大的倒锥形。

申请号为201210460145.0的专利，在振镜之前的光束运动控制比较灵活，但由于平板光学元件是摆动方式工作的，要获得非常高速的光束填充扫描运动，也是有困难的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够自动改变或者动态改变激光光束高速旋转方式加工的激光光束扫描填充轨迹轮廓大小、加工速度快、精度高的一种激光加工装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光加工装置，包括入射光束偏移运动控制模块、激光光束旋转运动模块和激光聚焦与焦点切换模块，所述激光光束旋转运动模块，包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置。

所述入射光束偏移运动控制模块通过调制入射激光束的传输方位，以形成发射到所述激光光束旋转运动模块的第一光束，自动调节所述第一光束的运动轨迹轮廓大小，并将所述第一光束发射给位于所述入射光束偏移运动控制模块发出第一光束的一侧的所述激光光束旋转运动模块中靠近所述入射光束偏移运动控制模块的一个激光光束旋转单元的旋转透射光学元件上。所述自动调节是指可以在激光光束旋转运动模块工作状态下，通过软件控制入射光束偏移运动控制模块中的透射光学元件或反射光学元件进行位移或者偏转，或通过软件控制入射光束偏移运动控制模块中的声光调制器的声光调制频率的进行改变，进而改变第一光束的运行轨迹。

所述激光光束旋转运动模块中靠近所述入射光束偏移运动控制模块发出第一光束的一侧的一个激光光束旋转单元上的旋转透射光学元件，用于接收所述第一光束，所述激光光束旋转运动模块对所述第一光束进行调制后输出第二光束，使得所述从激光光束旋转运动模块输出的第二光束沿着所述第一光束的光轴进行旋转。

所述激光聚焦与焦点切换模块，位于所述激光光束旋转运动模块输出第二光束的一侧，用于接收从所述激光光束旋转运动模块输出的第二光束，并对第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

进一步，所述入射光束偏移运动控制模块包括一个或至少两个串联的入射光束偏移单元。

进一步，所述入射光束偏移单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷；或者，所述入射光束偏移单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷；或者，所述入射光束偏移单元包括包括声光调制器，通过改变声光调制器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向。

进一步，所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片。

进一步，所述激光光束旋转运动模块，包括两个或两个以上串联的激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元各自独立旋转，第一个激光光束旋转单元中的旋转透射光学元件接收所述入射光束偏移运动控制模块发出第一光束，所述第一个激光光束旋转单元输出激光束光轴沿着其入射激光的光轴进行自转，后一激光光束旋转单元的输出光束的光轴沿着前一激光光束旋转单元的输出的光束的光轴进行公转，并且还沿着该公转轨迹进行自转。

进一步，所述用于带动所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的电机主轴上，所述电机的电机主轴为空心轴。

或者，所述用于带动所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置为电机皮带传动装置，所述电机皮带传动装置，包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在主动轮上，旋转透射光学元件固定安装在从动轮上。

进一步，所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机或伺服空心主轴电机。

进一步，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或透镜或平板光学元件或衍射体光栅或光楔。

进一步，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描振镜用于接收从所述激光光束旋转运动模块输出的第二光束，所述第二光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，经扫描平场聚焦镜聚焦形成聚焦光束，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片偏转达到控制激光焦点在不同加工单元之间的切换，或在一个加工单元处的激光出光加工过程中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片辅助偏转对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

或者，所述激光聚焦与焦点切换模块为平台移动静态聚焦单元，所述平台移动静态聚焦单元包括静态聚焦镜和线性移动平台，所述静态聚焦镜用于对从所述激光光束旋转运动模块输出的第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，所述线性移动平台用于控制所述聚焦光束的激光焦点在不同加工单元之间的切换，或在一个加工单元处，所述线性移动平台对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

进一步，所述扫描平场聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜。

本发明的目的在于使用入射光束运动偏移控制模块对入射激光束在激光光束旋转单元的旋转透射光学元件入射表面的轨迹进行空间扫描轨迹调制，配合激光光束旋转运动模块，特别是带有高速甚至超高速（目前气浮主轴电机转速可达16万转/秒）的激光光束旋转单元的激光光束旋转运动模块，可以达到在激光束高速甚至是超高速旋转的同时，动态调制激光光束旋转运动模块出射激光光束的扫描填充轨迹轮廓的大小和形状，这更符合实际大量加工需求。激光光束旋转单元的旋转透射光学元件旋转速度在5000转/分钟到5万转/分钟为高速，在5万转/分钟以上为超高速。

配合振镜扫描平场聚焦单元对激光束的高速位移切换能力和大范围区域扫描加工能力，可以达到大范围、高速高质量、孔径可变的微孔钻孔的目的，也非常适合于横截面变化的盲槽或者一次加工多种孔径的盲孔激光铣削加工。

配合平台移动静态聚焦单元，由于静态聚焦镜的具有优秀的聚焦特性，结合线性移动平台，可以实现精细的微孔、盲槽、盲孔加工。

本发明的工作原理如下：入射激光经过入射光束运动偏移控制模块后，激光束传输方向会自动或者动态改变，例如光束偏转或者光束平移。从入射光束运动偏移控制模块发射出来的激光束发射到激光光束旋转运动模块中激光光束旋转单元的旋转透射光学元件入射表面，激光束在旋转透射光学元件入射表面的入射点与旋转透射光学元件旋转轴线的垂直距离发生自动改变或动态改变，激光光束旋转运动模块出射激光光束的扫描填充轨迹轮廓的大小同步发生变化，通过激光聚焦与焦点切换模块，对从激光光束旋转运动模块输出的光束进行聚焦，并控制激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制，从而达到本发明的目的。

本发明的有益效果是：通过入射光束偏移运动控制模块能够自动改变或者动态改变激光光束旋转运动模块出射激光光束的扫描填充轨迹轮廓的大小，适合于在同一工件上面进行不同大小的通孔、盲孔、通槽、盲槽等形状的激光铣削钻孔加工，并且孔或槽的尺寸大小自动或动态调节改变。

本发明还可以对激光光束进行高速甚至超高速旋转控制，其光束旋转速度和精度是振镜摆动方式是无法做到的，这样在很多加工阈值低的材料或者薄膜材料的加工中，大幅提高的激光加工效率与质量。

本发明把自动或动态改变工件表面激光焦点的扫描填充轨迹轮廓的大小的工作交由入射光束运动偏移控制模块完成，该模块位于激光光束旋转运动模块前，这样可以自动改变或者动态改变激光光束扫描填充轨迹轮廓的大小，不仅如此，在激光光束旋转运动模块中的激光光束旋转单元高速或者超高速旋转时，可以高效高精度地控制改变激光光束扫描填充轨迹轮廓的大小。

本发明由于可以采用气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机或伺服空心主轴电机，可以控制激光光束旋转运动单元高速或超高速旋转，极大提高其激光铣削加工效率。

本发明采用的振镜扫描平场聚焦单元，将光束聚焦，并对激光焦点在不同的加工单元进行快速切换，大幅提高的激光加工效率与质量，或在一个加工单元处，对激光焦点进行辅助运动控制，进一步丰富了激光束空间轨迹调制，实现更复杂激光加工方式。

本发明采用的平台移动静态聚焦单元，将光束聚焦，并对激光焦点在不同的加工单元进行切换，实现大幅面激光铣削加工，或在一个加工单元处，对激光焦点进行辅助运动控制，进一步丰富了激光束空间轨迹调制，实现更复杂激光加工方式。

附图说明

图1为本发明实施例1铜箔激光钻孔的装置结构示意图；

图2为本发明实施例2氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

图1为铜箔激光钻孔的装置结构示意图，如图1所示：铜箔激光钻孔的装置包括入射光束偏移运动控制模块、激光光束旋转运动模块和激光聚焦与焦点切换模块。

所述入射光束偏移运动控制模块包括两个入射光束偏移单元即第一入射光束偏移单元和第二入射光束偏移单元，第一入射光束偏移单元包括第一平板石英玻璃102和用于驱动所述第一平板石英玻璃102的第一电机，所述第一平板石英玻璃102安装在第一电机的电机主轴103上，且第一电机的电机主轴103轴向垂直于纸面。第二入射光束偏移单元包括第二平板石英玻璃107和用于驱动所述第二平板石英玻璃107第二电机105，所述第二平板石英玻璃107安装在第二电机105的电机主轴106上。

所述激光光束旋转运动模块包括一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所旋转述透射光学元件做旋转运动的驱动装置。旋转透射光学元件为旋转平板石英玻璃110，旋转平板石英玻璃110的折射率为1.45，厚度6毫米，其两面均镀532纳米增透膜。驱动装置为带空心主轴的气浮空心主轴电机，气浮空心主轴电机也可以用带空心主轴的磁浮空心主轴电机或伺服空心主轴电机或电机皮带传动装置替代。所述旋转平板石英玻璃110固定在气浮主轴电机的空心主轴109内，旋转平板石英玻璃110与空心主轴109一起做旋转运动。空心主轴109内孔直径为15毫米，气浮主轴电机转速可达18万转/分钟。如果采用电机皮带传动装置驱动旋转平板石英玻璃110，此电机皮带传动装置包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在主动轮上，旋转平板石英玻璃110固定安装在从动轮上。

所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描平场聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜等类型。本实施例中，扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜119，远心扫描聚焦镜119的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米。扫描振镜包括第一反射镜片116和第二反射镜片113。

所述扫描振镜的第一反射镜片116安装在扫描振镜的第一电机118的电机主轴117上。

所述扫描振镜的第二反射镜片113安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴112上。

所述待加工工件121为50微米厚度铜箔。

整个铜箔激光钻孔的装置结构中的光路流程如下：入射光束101经第一平板石英玻璃102后得到第一光束104，所述第一光束104经第二平板石英玻璃107得到第二光束108，所述第二光束108经旋转平板石英玻璃110，得到第三光束111，第三光束111经扫描振镜第一反射镜片116得到第四光束115，所述第四光束115经扫描振镜的第二反射镜片113得到第五光束114，所述第五光束114经远心扫描聚焦镜119进行聚焦，得到聚焦光束120，所述聚焦光束120直接作用于待加工工件121。

所述入射光束101为直径为7毫米的入射扩束准直光束。

聚焦光束120的相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光（横向场强为高斯分布），脉冲重复频率100千赫兹。

所述第一平板石英玻璃102的折射率为1.45，厚度3毫米，其两面均镀532纳米增透膜，可以绕垂直于纸面平板石英第一电机的电机主轴103旋转，使得所述第一平板石英玻璃102的入射表面法线与入射光束101的角度α在0～10度范围内变化，并使得第一光束104相对于所述入射光束101获得相应位移，偏移量在0～167微米范围之间变化。

所述第二平板石英玻璃107与第一平板石英玻璃102相同，但其旋转轴（即第二电机105的电机主轴106）与第一电机的电机主轴103相互垂直，且方向平行于纸面。所述电机主轴106控制所述第二平板石英玻璃107，使得所述第二平板石英玻璃107的入射表面法线与所述第一光束104的角度α为0～10度变化，使得所述第二光束108相对于所述第一光束104获得相应位移，偏移量在0～167微米范围之间变化。

所述第二平板石英玻璃107与第一平板石英石英玻璃101的运动直接决定了所述第二光束108的运动轨迹，本实施例第二光束108的光轴运动范围为334微米×334微米的方形区域。

扫描振镜的两片反射镜片即第一反射镜片116与第二反射镜片113相配合，每加工完毕一个孔，就把聚焦光束120的焦点移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一反射镜片116与第二反射镜片113再一次锁定不动，此时激光出光。通过第二平板石英玻璃107与第一平板石英玻璃102的运动控制第二光束108的轨迹，例如圆周运动，圆周直径100微米，如果所述旋转平板石英玻璃110锁定不动，所述聚焦光束120会在工件121相应位置上刻划出150微米直径圆圈（焦点光斑直径50微米），通过第二平板石英玻璃107与第一平板石英石英玻璃102的运动控制改变第二光束108的轨迹，聚焦光束120会在工件121相应位置上刻划出对应的轮廓。如果第二平板石英玻璃107与第一平板石英石英玻璃102锁定不动，所述旋转平板石英玻璃110与旋转轴线成10度角度并进行一定速度的旋转，那么，光束120在工件上形成直径700微米直径圆圈（焦点光斑直径50微米）。如果所述旋转平板石英玻璃110进行一定速度的旋转，通过第二平板石英玻璃107与第一平板石英玻璃102的运动控制保持第二光束18的轨迹,例如第二光束18的光轴维持100微米的圆圈运动，那么聚焦光束120会在工件121相应位置上刻划出对应的填充轮廓（内径625微米，外径775微米的圆环填充轨迹）；通过第二平板石英玻璃107与第一平板石英玻璃102的运动控制自动改变或者动态改变第二光束108的轨迹，那么聚焦光束120会在工件121相应位置上刻划出对应的填充轮廓也在自动改变或者动态改变。通过这种方法，可以在所述待加工工件121上钻出所需要的不同孔径的通孔阵列。

实际上通过宽范围入射角增透膜镀膜技术，可以使得第一平板石英玻璃102的入射表面法线与入射光束101之间的夹角角度α在0-90度范围之间变化；第二平板石英玻璃107的入射表面法线与所述第一光束104之间的夹角角度α在0-90度范围之间变化，这样可以一定程度上在保证精度的同时也能加大扫描范围。

通过改变第一平板石英玻璃102、第二石英平板玻璃107的厚度或折射率，可以改变第一光束和第二光束扫描轮廓大小；通过改变旋转石英平板玻璃110的厚度或折射率，可以改变第三光束111的旋转直径。

本实施例中，第一平板石英玻璃102和第二石英平板玻璃107，可用其它形式的透射平板光学元件或透射棱镜光学元件替换。

所述远心扫描聚焦镜119的加工范围毕竟还是有限，如果加工幅面还不够大，实际上还可以把所述待加工工件121置于移动平台上，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米×200毫米的通常称为大面积。

实施例2：

图2为氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置结构示意图，如图2所示：氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置包括入射光束偏移运动控制模块、激光光束旋转运动模块和激光聚焦与焦点切换模块。

所述入射光束偏移运动控制模块包括两个入射光束偏移单元即第一入射光束偏移单元和第二入射光束偏移单元，第一入射光束偏移单元包括第一平板石英玻璃202和用于驱动所述第一平板石英玻璃202的第一电机（图中未示出），所述第一平板石英玻璃202安装在第一电机的电机主轴上，即第一旋转轴203上，第一平板石英玻璃202围绕第一旋转轴203轴向旋转，且第一旋转轴203的轴向垂直于纸面。第二入射光束偏移单元包括第二平板石英玻璃207和用于驱动所述第二平板石英玻璃207的第二电机205，所述第二平板石英玻璃207安装在第二电机205的电机主轴上，即第二旋转轴206上，第二旋转轴206为第二电机205的电机主轴。所述第二平板石英玻璃207可围绕第二旋转轴206轴向旋转。所述第一平板石英玻璃202以及第二平板石英玻璃207的折射率均为1.45，厚度均为3毫米，两面均镀有532纳秒的增透膜。第一旋转轴203为第一电机的电机主轴，第二旋转轴206为第二电机205的电机主轴。本实施例中，第一平板石英玻璃202和第二石英平板玻璃207，可用其它形式的透射平板光学元件或透射棱镜光学元件替换。

所述激光光束旋转运动模块包括一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所旋转述透射光学元件做旋转运动的驱动装置。旋转透射光学元件为第三平板石英玻璃209，所述第三平板石英玻璃209厚度为6毫米，折射率为1.45，两面均镀有532纳米的增透膜。驱动装置为带空心主轴的气浮空心主轴电机，气浮空心主轴电机可以用带空心主轴的磁浮空心主轴电机或伺服空心主轴电机或电机皮带传动装置替代。所述第三平板石英玻璃209倾斜固定于气浮主轴电机的空心主轴210内，气浮主轴210内孔直径15毫米，气浮主轴电机转速18万转/分钟。

所述激光聚焦与焦点切换模块为平台移动静态聚焦单元，所述平台移动静态聚焦单元包括静态聚焦镜212和线性移动平台（图中未示出）。

所述静态聚焦镜212的焦距为60毫米。

所述待加工工件214为1毫米厚度氮化铝陶瓷片，固定安装在线性移动平台上。

该装置结构中的光路流程如下：初始入射光束201经第一平板石英玻璃202得到第一光束204，第一光束204再经第二平板石英玻璃207得到第二光束208，所述第二光束经208过第三平板石英玻璃209得到第三光束211，所述第三光束211经过静态聚焦镜212，得到聚焦光束213，所述聚焦光束213直接作用于待加工工件214。

所述初始入射光束201为入射扩束准直光束，光束的直径5毫米，波长532纳米，初始入射光束201、第一光束204、第二光束208与第三光束211所在空气折射率按1计算。

所述聚焦光束213的相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光（横向场强为高斯分布），脉冲重复频率100千赫兹。

所述第一平板石英玻璃202可以绕垂直于纸面的第一旋转轴203旋转，使得第一平板石英玻璃202的法线与初始入射光束201之间的夹角角度在0～10度范围内变化，使得第一入射光束204相对于初始入射光束201获得平行位移，使得第一入射光束204相对于初始入射光束201获得平行位移，其光轴相对偏移量在0～167微米范围内变化。

所述第二平板石英玻璃207的第二旋转轴206与第一平板石英202的第一旋转轴203空间垂直，且第二旋转轴206的轴向平行于纸面。第二旋转轴206控制第二平板石英玻璃207进行摆动，使得第二平板石英玻璃207的入射表面法线与第一光束204之间的夹角角度大小在0～10度范围之间变化，并使得第二光束208相对于第一光束204获得相应位移，并使得第二光束208相对于第一光束204获得相应位移，其光轴相对偏移量在0～167微米范围之间变化。

所述第一平板石英玻璃202与第二平板石英玻璃207的配合运动直接决定了第二光束208的运动轨迹，本实施例中第二光束208的光轴的运动范围为334微米×334微米的方形区域。如果第一平板石英玻璃202与第二平板石英玻璃207锁定不动，在第三平板石英玻璃209入射表面法线与第二光束208之间夹角为10度和第三平板石英玻璃209与气浮空心主轴210的旋转速度为18万转/分钟的条件下，聚焦光束213在工件214表面聚焦光斑是30微米，聚焦光束213在工件214表面扫描轨迹为直径0.7毫米圆圈。如果通过第二平板石英玻璃207与第一平板石英玻璃202的运动控制第二光束208的轨迹，例如圆周运动，圆周直径100微米，如果第三平板石英玻璃209锁定不动，所述聚焦光束213会在工件214相应位置上刻划出150微米直径圆圈（焦点光斑直径50微米），通过第二平板石英玻璃207与第一平板石英石英玻璃202的运动控制改变第二光束208的轨迹，聚焦光束213会在工件214相应位置上刻划出对应的轮廓。如果第三平板石英玻璃209进行一定速度的旋转，通过第二平板石英玻璃207与第一平板石英玻璃202的运动控制保持第二光束208的轨迹,例如第二光束208的光轴维持100微米的圆圈运动，那么聚焦光束213会在工件214相应位置上刻划出对应的填充轮廓（内径625微米，外径775微米的圆环填充轨迹）。通过第二平板石英玻璃207与第一平板石英玻璃202的运动控制自动改变或者动态改变第二光束208的轨迹，那么聚焦光束213会在工件214相应位置上刻划出对应的填充轮廓也在自动改变或者动态改变。通过这种方法，可以在所述待加工工件214上钻出所需要的不同孔径的通孔阵列。如果第一平板石英玻璃202与第二平板石英玻璃207控制第二光束208的运动轨迹，例如让第二光束208以一定速度进行不同直径的圆圈运动，配合第三平板石英玻璃209的高速旋转运动，可以自动改变或者动态改变聚焦光束213在工件214表面的焦点扫描填充运动轨迹的形状和大小。

本实施例这种加工方式的好处是，用高斯激光实现平顶激光加工效果，同时保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工特点等优点，非常适合于需要平顶激光加工或者微小范围均匀快速填充扫描的领域，加工效果优于平顶激光且控制非常简单。在激光光束旋转单元前设置光束平移光学平板，可以自动设置或者动态改变聚焦光斑在工件表面扫描轮廓形状和大小，同时兼顾利用了激光光束旋转单元高速甚至超高速光束旋转的长处。

上述实施例中，平板光学元件的旋转主轴相互垂直的同时，理论上也需要与光束光轴垂直，实际使用中的安装误差可通过控制软件进行校正即可。

上述实施例1与实施例2只是本发明的两个典型的应用，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，本发明提出一种激光加工装置，其重要特点是：采用入射光束偏移运动控制模块改变入射激光在旋转光学元件入射面的入射轨迹，进而自动改变或者动态改变激光光束旋转运动模块出射激光扫描轨迹的形状和大小，利用了高速甚至超高速激光光束旋转单元对激光束高速旋转的优点，同时规避了激光光束旋转运动模块不能自动或者动态改变扫描轨迹形状和大小的缺点；同时采用振镜扫描平场聚焦单元对激光焦点进行快速切换，大幅提高的激光加工效率与质量；也可以配置平台移动静态聚焦单元，用于一些脆硬材料的铣削与钻孔加工，相比传统激光铣削加工，本方案加工均匀性和加工效率与质量大幅度提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，其特征在于：包括入射光束偏移运动控制模块、激光光束旋转运动模块和激光聚焦与焦点切换模块，所述激光光束旋转运动模块，包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置，

所述入射光束偏移运动控制模块通过调制入射激光束的传输方位，以形成发射到所述激光光束旋转运动模块的第一光束，调节所述第一光束的运动轨迹轮廓大小，并将所述第一光束发射给位于所述入射光束偏移运动控制模块发出第一光束的一侧的所述激光光束旋转运动模块中靠近所述入射光束偏移运动控制模块的一个激光光束旋转单元的旋转透射光学元件上；

所述激光光束旋转运动模块中靠近所述入射光束偏移运动控制模块发出第一光束的一侧的一个激光光束旋转单元上的旋转透射光学元件，用于接收所述第一光束，所述激光光束旋转运动模块对所述第一光束进行调制后输出第二光束，使得所述从激光光束旋转运动模块输出的第二光束沿着所述第一光束的光轴进行旋转；

所述激光聚焦与焦点切换模块，位于所述激光光束旋转运动模块输出第二光束的一侧，用于接收从所述激光光束旋转运动模块输出的第二光束，并对第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

2.根据权利要求1所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述入射光束偏移运动控制模块包括一个或至少两个串联的入射光束偏移单元。

3.根据权利要求2所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述入射光束偏移单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷；或者，所述入射光束偏移单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷；或者，所述入射光束偏移单元包括包括声光调制器，通过改变声光调制器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向。

4.根据权利要求3所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片。

5.根据权利要求1所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述激光光束旋转运动模块，包括两个或两个以上串联的激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元各自独立旋转，第一个激光光束旋转单元中的旋转透射光学元件接收所述入射光束偏移运动控制模块发出第一光束，所述第一个激光光束旋转单元输出激光束光轴沿着其入射激光的光轴进行自转，后一激光光束旋转单元的输出光束的光轴沿着前一激光光束旋转单元的输出的光束的光轴进行公转，并且还沿着该公转轨迹进行自转。

6.根据权利要求1至5任一所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述用于带动所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的电机主轴上，所述电机的电机主轴为空心轴；

或者，所述用于带动所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置为电机皮带传动装置，所述电机皮带传动装置，包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在主动轮上，旋转透射光学元件固定安装在从动轮上。

7.根据权利要求6所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机或伺服空心主轴电机。

8.根据权利要求1至5任一所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或透镜或平板光学元件或衍射体光栅或光楔。

9.根据权利要求1至5任一所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描振镜用于接收从所述激光光束旋转运动模块输出的第二光束，所述第二光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，经扫描平场聚焦镜聚焦形成聚焦光束，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片偏转达到控制激光焦点在不同加工单元之间的切换，或在一个加工单元处的激光出光加工过程中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片辅助偏转对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制；

或者，所述激光聚焦与焦点切换模块为平台移动静态聚焦单元，所述平台移动静态聚焦单元包括静态聚焦镜和线性移动平台，所述静态聚焦镜用于对从所述激光光束旋转运动模块输出的第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，所述线性移动平台用于控制所述聚焦光束的激光焦点在不同加工单元之间的切换，或在一个加工单元处，所述线性移动平台对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

10.根据权利要求9所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述扫描平场聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜。

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