CN103203552A - 一种大幅面微孔高速钻孔系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大幅面微孔高速钻孔系统，包括光束空间调制模块和振镜扫描平场聚焦模块，具体为：采用光束空间调制模块特别是多个透明平板光学元件与振镜扫描平场聚焦模块的组合，光束空间调制模块对激光光束进行空间轨迹调制，振镜扫描平场聚焦模块对激光进行聚焦并负责激光焦点在不同加工位置之间进行快速切换，二者分工与合作，本方案能够在进行大幅面微孔钻孔，大幅提高的激光钻孔效率与钻孔质量，且非常适合钻直孔，且激光光束填充扫描的形状和大小可以动态控制，微孔钻孔孔径大小动态可变，以及具备进行微细结构柔性加工能力。

Description

一种大幅面微孔高速钻孔系统

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种大幅面微孔高速钻孔系统装置。

背景技术

激光钻孔领域，激光焦点在孔和孔之间切换，无疑振镜扫描是最快的切换方式，表现在高的加减速和位移线速度，以及定位速度。二维位移平台无疑是很慢的一种方式，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没有问题的，但是，振镜前面的光束圆周调制运动是用反射镜片方式，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，激光束被反射来反射去，激光光束调制轨迹非常不好控制，进行精细加工时候不好控制，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，且由于反射镜对光束的反射扫描轨迹是空间圆锥形，所钻小孔为倒锥形孔，这种孔形在实际中应该避免。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大幅面、高速高精度且能动态改变激光扫描填充或激光环切形状和大小的能进行微细结构加工的微孔高速钻孔系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种大幅面微孔高速钻孔系统，包括光束空间调制模块和振镜扫描平场聚焦模块，所述光束空间调制模块包括一个或者多个透明光学元件，每个所述透明光学元件安装在一个与其相对应的驱动装置上，每个所述透明光学元件均可在与其相对应的驱动装置的驱动下独立进行摆动和/或平移的驱动装置。

所述光束空间调制模块用于对入射激光束进行空间运动轨迹调制，形成按照设定轨迹运动的第一光束，并将该第一光束发射到所述振镜扫描平场聚焦模块。

所述振镜扫描平场聚焦模块，位于所述光束空间调制模块输出第一光束的一侧，用于接收从所述光束空间调制模块输出第一光束，并对第一光束进行聚焦，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。

所述扫描平场聚焦镜包括普通平场扫描镜和远心扫描聚焦镜。

进一步，所述透明光学元件为透明平板光学元件，所述透明平板光学元件可在与其相对应的驱动装置的带动下进行摆动，并通过所述透明平板光学元件的摆动实现表面法线与入射激光束的夹角变化，来调整入射激光束与出射激光束的位移偏移量，控制激光束的空间扫描轨迹。透明平板光学元件的表面法线与其入射激光束之间形成的入射角度α的范围为负45度至正45度。

进一步，所述透明平板光学元件的表面镀有增透膜。所述透明平板光学元件的表面经过研磨抛光，并镀有增透膜，优选镀宽入射角度的增透膜。

进一步，所述透明光学元件为透明棱镜光学元件，所述透明棱镜光学元件可在与其相对应的驱动装置的带动下进行摆动和/或平移，并通过透明棱镜的摆动和/或平移来调整入射激光束与出射激光束的位移偏移量，并且控制光束的空间扫描轨迹。扫描振镜控制激光焦点在不同加工单元之间的高速切换，或扫描振镜控制激光焦点在一个加工单元内部对已经被透明棱镜光学元件调制了的激光束进行辅助空间扫描轨迹调制。

进一步，所述透明光学元件材料为普通光学玻璃或者石英玻璃或者蓝宝石。

进一步，所述驱动装置为电机，所述透明光学元件安装在所述电机主轴上。

或者，所述驱动装置为电致伸缩元件，所述透明光学元件安装在电致伸缩元件上，电致伸缩元件在外加电场作用下发生长度伸缩，驱动所述透明光学元件摆动或者平移。

或者，所述驱动装置为多个电致伸缩元件，所述所述透明光学元件安装在所述多个电致伸缩元件上，电致伸缩元件在外加电场作用下发生长度伸缩，驱动所述透明光学元件摆动和/或平移。以电致伸缩元件压电陶瓷为例，利用三块压电陶瓷形成压电陶瓷伸缩支架，可以控制透明平板光学元件做二维角度偏转和一维位移伸缩运动。所述组合结构或者支架为多个电致伸缩元件并排或者串联排列或者串并联排列组成的结构。

进一步，所述电致伸缩元件为压电陶瓷。

进一步，所述光束空间调制模块包括三个或三个以上的透明光学元件，相对于透过的激光束而言，透明光学元件是串联的，即多个透明光学元件沿着激光束传输方向依次排列。光束运动轨迹将是众多透明光学元件控制光束运动的运动合成轨迹，激光填充扫描加工特性无限接近平顶激光光束加工效果。

进一步，所述振镜扫描平场聚焦模块包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描振镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜安装在第一电机的主轴上，所述第二反射镜安装在第二电机的主轴上，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直，所述第一反射镜用于接收并反射从所述光束空间调制模块发射过来的第一光束，以形成发射给所述第二反射镜的第一反射光束，所述第二反射镜接收并反射所述第一反射光束，以形成发射到所述扫描平场聚焦镜的第二反射光束，所述扫描平场聚焦镜用于聚焦该第二反射光束，以形成发射到待加工表面的聚焦光束。

透明光学元件可以为透明平板光学元件，其数量为两个或者两个以上的情况下。如果透明平板光学元件的驱动装置为电致伸缩元件，电致伸缩元件在外电场作用下可以驱动透明光学元件做一维或者多维运动，一个平板光学元件可以用多个电致伸缩元件实现多维空间运动（偏转和平移）；如果透明平板光学元件的驱动装置为电机主轴，相邻电机主轴之间空间垂直放置，即相邻电机主轴之间相互垂直，且电机主轴垂直于入射激光光束。透明平板光学元件依照被穿过的激光束串联设置，即多个透明平板光学元件沿着激光束传输方向依次排列。通过所述平板光学元件的表面法线与其入射光束的夹角来调整其入射激光束与其出射激光束的位移偏移量，控制激光束的空间扫描轨迹。扫描振镜控制激光焦点在不同加工单元之间的高速切换，或扫描振镜控制激光焦点在一个加工单元内部对已经被平板光学元件调制了的激光束进行辅助空间扫描轨迹调制。

透明光学元件为透明棱镜光学元件，其数量为两个或者两个以上的情况下。如果透明棱镜光学元件的驱动装置为电致伸缩元件，电致伸缩元件在外电场作用下可以驱动透明光学元件做一维或者多维运动；如果透明棱镜光学元件的驱动装置为电机主轴，相邻电机主轴之间空间垂直放置，即相邻电机主轴之间相互垂直放置，且电机主轴垂直于入射激光光束。透明棱镜光学元件依照被穿过的激光束串联设置，即多个透明棱镜光学元件沿着激光束传输方向依次排列。通过所述透明棱镜光学元件的表面法线与其入射光束的夹角来调整其入射激光束与其出射激光束的位移偏移量，控制激光束的空间扫描轨迹。扫描振镜控制激光焦点在不同加工单元之间的高速切换，或扫描振镜控制激光焦点在一个加工单元内部对已经被透明棱镜光学元件调制了的激光束进行辅助空间扫描轨迹调制。

入射激光经过光束空间调制模块进行空间扫描轨迹调制后，直接或者间接地射入振镜扫描平场聚焦模块中的扫描振镜，再经过平场扫描聚焦镜聚焦到待加工工件表面。激光焦点在工件表面加工单元之间的切换由扫描振镜来完成，在加工单元切换过程中，激光处于关断状态。当激光焦点在一个加工单元进行微孔加工或者微型激光标刻或者其它激光加工的时候，扫描振镜不动作，激光焦点扫描轨迹的控制由系列所述透明光学元件摆动调制完成，此时激光是出光状态。如果此时扫描振镜也也对激光做空间运动辅助调制，则可以进一步丰富激光焦点运动轨迹，完成更为复杂的激光微加工动作。

本发明的目的在于使用光束空间调制模块，特别是多个透明平板光学元件对入射激光束进行高精度、高速地空间轨迹柔性扫描调制，配合振镜扫描平场聚焦模块对激光束的高速位移切换能力和大幅面区域扫描聚焦能力，达到动态控制激光扫描填充铣削盲孔盲槽或环切微孔的大小和形状，同时具备大幅面、高速、高质量的加工能力的目的。

如果所述光束空间调制模块含有三个或者三个以上的透明光学元件，特别是透明平板光学元件时，使用软件控制这些透明光学元件特别是透明平板光学元件协调摆动或者平移，将会形成非常复杂的高速高效均匀的填充扫描效果，非常适合于激光铣削、盲孔钻孔等应用领域。

本发明一种大幅面微孔高速钻孔系统的工作原理如下：入射激光束经过透明光学元件后，由于透明光学元件的折射作用，出射激光束相对于入射激光束将产生空间偏转和平移。因透明光学元件的不同，出射激光束可产生平移、偏转等情况。光束空间调制模块包括一个或者一个以上的透明光学元件；每个透明光学元件的摆动均由各自相对应的驱动装置控制，致使每个透明光学元件可独立摆动，因此透射光出射轨迹也随之被调制。激光经过光束空间调制模块进行空间扫描轨迹调制后，直接或者间接地射入扫描振镜，再经过平场扫描聚焦镜聚焦到待加工工件表面。激光焦点在工件表面两个加工单元之间的切换由扫描振镜来完成，在加工单元切换位置过程中，激光处于关断状态。当激光焦点在一个加工单元进行微孔加工或者微型激光标刻的时候，扫描振镜不动作，激光焦点扫描轨迹由所述光束空间调制模块摆动调制完成，此时激光是出光状态。在激光出光加工的时候，必要时，可以通过软件同时控制各个透明光学元件的运动和扫描振镜辅助扫描，可以进一步丰富激光焦点扫描轨迹，完成更为复杂的激光加工动作。

相对于光束空间调制模块的扫描范围而言，本领域中扫描区域超过5毫米×5毫米范围的通常称为大幅面；钻孔孔径在300微米以下的通常称为微孔。

应用本发明的技术方案，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

（1）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，光束空间调制模块对激光光束进行空间动态轨迹调制，扫描振镜对激光焦点进行快速切换，二者分工与合作，相比单纯的振镜扫描平场聚焦模块，本方案大幅提高的激光钻孔效率与钻孔质量。

（2）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，相比单纯的光束空间调制模块在完成激光束空间轨迹调制后直接聚焦的方案，本方案大幅提高了微孔阵列的扫描加工幅面。其原因是，单纯采用光束空间调制模块特别是多个平板光学元件对激光光束进行空间动态调制，直接进行聚焦和阵列孔扫描加工，其扫描幅面非常有限，由于引入振镜扫描平场聚焦模块，直接实现大范围微孔阵列的扫描加工。

（3）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，扫描振镜也可以在光束空间调制模块空间调制激光束进行激光加工的同时也进行激光束的空间调制，进一步丰富了激光束空间轨迹调制运动，实现更复杂激光加工方式。

（4）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，如果透明光学元件为透明平板光学元件，则理论上入射激光束与出射激光束是空间平行位置关系，其平行间距与透明平板光学元件的厚度、折射率以及入射激光束入射角度变化有关，其光束平移运动精度很高，这对于多个透明平板光学元件的串联提供了非常好的条件，非常有利于激光光束的空间高速高精度调制。

（5）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，对比光束旋转模块加振镜扫描聚焦组合方案，本方案扫描图形的大小和形状以及激光扫描填充轨迹动态可变，加工柔性大大增加，这是实际加工应用中更需要的。

（6）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，对比200380110303.9的专利，本方案加工的是直孔，且加工精度更高，加工直孔是现实加工中最多的要求，当然也可以设计成锥孔，因此本方案灵活性灵活性较大，加工直孔更符合市场需要，且透射式光学元件串联排列所占空间极为紧凑，有利于光学镜片防尘处理。

（7）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，所述光束空间调制模块包括至少三个透明光学元件时，能够形成复杂的激光扫描填充轨迹，其激光加工图形的形状和尺寸可以动态改变，非常适合于激光铣削和激光盲孔加工。

（8）本发明提出采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，如果透明光学元件为透明棱镜光学元件，且驱动元件为电致伸缩元件特别是压电陶瓷驱动，那么透明棱镜光学元件运动精度和运动加速度将会非常高，其光束平移运动精度和加速度就会很高，非常有利于激光光束的空间高速高精度调制。

附图说明

图1为实施例1不锈钢薄板激光钻孔的装置结构示意图；

图2为实施例2陶瓷激光钻孔的装置结构示意图。

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。

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

图1为不锈钢薄板激光钻孔的装置结构示意图，该装置包括光束空间调制模块和振镜扫描平场聚焦模块。其中光束空间调制模块包括第一石英平板玻璃12和第二石英平板玻璃17，所述第一石英平板玻璃12安装在第一电机（图中未示出）的电机主轴13上，所述第二石英平板玻璃17安装在第二电机15的电机主轴16上。第一石英平板玻璃12和第二石英平板玻璃17可绕电机主轴摆动。振镜扫描平场聚焦模块包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜。所述扫描平场聚焦镜为远心聚焦镜116，所述扫描振镜包括第一反射镜片112、第二反射镜片110，所述第一反射镜片112安装在第一扫描振镜电机114的电机主轴113上，所述第二反射镜片110安装在第二扫描振镜电机（图中未示出）的电机主轴19上。

由图1可知：整个不锈钢薄板激光钻孔的装置结构中的光路流程如下：入射激光束11经第一石英平板玻璃12后得到第一折射光束14，所述第一折射光束14经第二石英平板玻璃17得到第一光束18，所述第一光束18经扫描振镜的第一反射镜片112得到第一反射光束111，所述第一反射光束111经扫描振镜的第二反射镜片110得到第二反射光束115，所述第二反射光束115经远心聚焦镜116进行聚焦，得到聚焦光束117，所述聚焦光束117直接作用于待加工工件118。

所述待加工工件118为0.2毫米厚度不锈钢薄板。

所述远心聚焦镜116的镜头的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米。

所述聚焦光束117（激光）的相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模，脉冲重复频率100千赫兹。

所述入射激光光束11为直径为5毫米的入射扩束准直光束，波长532纳米，入射激光光束11与第一折射光束14所在空气折射率按1计算。

所述第一石英平板玻璃12的折射率为1.45，厚度3毫米，其两面均镀532nm增透膜，可以绕垂直于纸面的第一石英平板玻璃12的旋转轴13旋转，使得所述第一石英平板玻璃12的法线与入射激光束11的角度α为0～10度变化，使得第一折射光束14相对于所述入射激光束11获得相应位移偏移量0～0.86毫米变化。

所述第二石英平板玻璃17与第一石英平板玻璃12相同，但第二石英平板玻璃17摆动轴（第二电机15的电机主轴16）与第一石英平板玻璃12的摆动轴（第一电机的电机主轴13）空间垂直放置，且第一电机15的电机主轴16和第一电机的电机主轴13均垂直于入射激光束11。上述空间垂直即指相邻的两电机主轴之间相互垂直。所述电机主轴16控制所述第二石英平板玻璃17，使得所述第二石英平板玻璃17法线与所述第一折射光束14的角度α在0～10度范围之间变化，使得从所述第二石英平板玻璃17输出的第一光束18相对于所述第一折射光束14获得相应位移，偏移量在0～0.86毫米范围之间变化。

第二石英平板玻璃17与第一石英平板玻璃12的摆动运动直接决定了所述第一光束18的运动轨迹，本实施例第一光束18的运动范围为0.86毫米×0.86毫米的方形区域。

振镜扫描平场聚焦模块中的第一反射镜片112与第二反射镜片110相配合，每加工完毕一个孔，就把焦点移动到下一个加工单元，在加工单元切换位置过程中，激光是闭光的。当所述第一反射镜片112与第二反射镜片110再一次锁定不动，此时激光出光，通过第二石英平板玻璃17与第一石英平板玻璃12的运动控制第一光束18进行重复画圆运动，圆周直径180微米。所述聚焦光束117会在相应位置上钻出200微米直径通孔（焦点光斑直径20微米），通过这种方法，可以在所述待加工工件118上钻出所需要的通孔阵列。所述远心聚焦镜116的镜头的焦距为100毫米，平场扫描聚焦范围50毫米×50毫米方形区域，实现大面积扫描加工范围。如果改变平场扫描聚焦镜的焦距，可以实现1米×1米的大范围扫描加工。相对于光束空间调制模块的扫描范围而言，本领域中扫描区域超过5毫米×5毫米的通常称为大面积。

实际上通过好的宽范围入射角增透膜镀膜技术，可以使得第一石英平板玻璃12的法线与入射激光束11之间的角度α在正负15度范围之间变化；第二石英平板玻璃17法线与所述第一折射光束14的角度α在正负15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。

所述远心聚焦镜116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118置于移动平台上，这样可以实现大范围的激光加工。

实施例2：

图2为陶瓷激光钻孔的装置结构示意图，由图2可知，本实施例是在实施例1的基础上再增加两个平板光学元件和用于控制平板光学元件摆动的两个电机。该装置包括光束空间调制模块和振镜扫描平场聚焦模块。其中光束空间调制模块包括第一石英平板玻璃22、第二石英平板玻璃27、第三石英平板玻璃29和第四石英平板玻璃214，所述第一石英平板玻璃22安装在第一摆动轴23上，可围绕第一摆动轴23进行摆动，所述第一摆动轴23为第一电机（图中未示出）的电机主轴。所述第二石英平板玻璃27安装在第二摆动轴26上，可围绕第二摆动轴26进行摆动，所述第二摆动轴26为第二电机25的电机主轴。所述第三石英平板玻璃29安装在第三摆动轴210上，可围绕第三摆动轴210进行摆动，所述第三摆动轴210为第三电机（图中未示出）的电机主轴。所述第四石英平板玻璃214安装在第四摆动轴213上，可围绕第四摆动轴213进行摆动，所述第四摆动轴213为第四电机212的电机主轴。

振镜扫描平场聚焦模块包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜。所述扫描平场聚焦镜为远心聚焦镜223，所述扫描振镜包括第一反射镜片221、第二反射镜片227，所述第一反射镜片221安装在第一扫描振镜电机220的电机主轴219上，所述第二反射镜片217安装在第二扫描振镜电机（图中未示出）的电机主轴216上。

陶瓷激光钻孔的装置结构中的光路流程如下：初始入射激光束21经第一平板石英玻璃22得到第一折射光束24，第一折射光束24再经第二平板石英玻璃27得到第二折射光束28，所述第二折射光束经过第三平板石英玻璃29得到第三折射光束211，所述第三折射光束211经过第四平板石英玻璃214得到第一光束215，所述第一光束215经过扫描振镜的第一反射镜片221得到第一反射光束218，所述第一反射光束218经过扫描振镜的第二反射镜片217得到第二反射光束222，所述第二反射光束222经过远心聚焦镜223得到聚焦光束224，所述聚焦光束224直接作用于待加工工件225。

所述待加工工件225为0.3毫米厚度氧化铝陶瓷片。

所述初始入射激光束21为入射扩束准直光束，光束的直径5毫米，波长532纳米，初始入射激光束21、第一折射光束24、第二折射光束28与第三折射光束211所在空气折射率按1计算。

所述第三平板石英玻璃29、第四平板石英玻璃214、第二平板石英玻璃27以及第一平板石英玻璃22的折射率均为1.45，厚度均为3毫米，两面均镀有厚度为532纳米的增透膜。

所述聚焦光束224（激光）的相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模，脉冲重复频率100千赫兹。

所述第一平板石英玻璃22可以绕垂直于纸面的第一摆动轴23摆动，使得第一平板石英玻璃22的法线与初始入射激光束21之间的角度在0～10度范围内变化，使得第一折射光束24相对于初始入射激光束21获得平行位移，偏移量在0～0.86毫米范围内变化。

所述第二平板石英玻璃27的第二旋转轴26与第一平板石英22的第一摆动轴23空间垂直，且垂直于入射激光光束21。第二摆动轴26控制第二平板石英玻璃27摆动，使得第二石英平板玻璃27的表面法线与第一折射光束24的角度在0～10度范围之间变化，使得第二折射光束28相对于第一折射光束24获得相应位移，偏移量在0～0.86毫米范围之间变化。

所述第一平板石英玻璃22与第二平板石英玻璃27的配合运动直接决定了第二折射光束28的运动轨迹，本实施例中第二折射光束28的运动范围为0.86毫米×0.86毫米的方形区域。

所述第三平板石英玻璃29绕垂直于纸面的第三摆动轴210摆动，使得所述第三平板石英玻璃29的表面法线与第二折射光束28之间的角度在0～10度范围之间变化，使得第三折射光束211相对于所述第二折射光束28获得相应位移，偏移量在0～0.86毫米范围之间变化。

所述第四平板石英玻璃214与第三平板石英玻璃29相同，但其第四摆动轴213与第三摆动轴210空间垂直，且垂直于入射激光光束21；所述第四摆动轴213控制所述第四石英平板玻璃214摆动，使得所述第四平板石英玻璃214的表面法线与所述第三折射光束211之间的角度在0～10度范围之间变化，使得所述第一光束215相对于所述第三折射光束211获得相应位移，偏移量在0～0.86毫米范围之间变化。

所述第四平板石英玻璃214与第三平板石英玻璃29的运动直接决定了所述第一光束215的运动轨迹，本实施例第一光束215相对于第二折射光束28的运动范围为0.86毫米×0.86毫米的方形区域。

所述第一平板石英玻璃22、第二平板石英玻璃27、第三平板石英玻璃29以及第四平板石英玻璃214进行综合角度摆动运动控制，那么第一光束215的运动轨迹将会非常丰富复杂，例如，所述第一平板石英玻璃22与第二平板石英玻璃27组合运动，使得第二折射光束28做直径50微米圆周运动，线速度为10毫米/秒，第二折射光束28的转速是63.7圈/秒；使得第四光束215相对于第二折射光束28做直径175微米圆周运动，线速度5毫米/秒，相对转速是8转/秒。综合以上所述，第一光束215的运动轨迹是直径为175微米圆周运动（公转）和围绕直径175微米圆周做50微米直径的圆周运动（自转）的合成运动轨迹。另一种情况，如果第二折射光束28的运动转速为10圈/秒，第一光束215相对于第二折射光束28的转速是100圈/秒，这时候的第一光束215的合成轨迹是一系列的填充圆，并最终形成填充圆环区域。所形成的复杂填充区域的形状和尺寸可以动态改变。合成轨迹参考坐标系是激光加工样品225。

为了获得大范围的激光加工，第一光束215进入振镜扫描平场聚焦模块。

振镜扫描平场聚焦模块中的第一反射镜片221与第二反射镜片217相配合，每加工完毕一个孔，就把焦点移动到下一个加工单元，在加工单元切换位置过程中，激光是闭光状态。当所述第一反射镜片221与第二反射镜片217再一次锁定不动时，通过所述第一石英平板玻璃22以及第二平板石英玻璃27的摆动来控制第二折射光束28做圆周运动，第二折射光束28的圆周运动速度是10圈/秒，圆周直径为50微米；通过所述第三石英平板玻璃29以及第四平板石英玻璃214的摆动来控制第四光束215相对于第二折射光束28做圆周运动，圆直径围175微米。所述聚焦光束224会在相应位置上钻出200微米直径通孔，通过这种方法，可以在所述待加工工件225上钻出所需要的通孔阵列。

所述远心聚焦镜223的镜头的焦距为100毫米，平场扫描聚焦范围50毫米×50毫米方形区域，实现大面积扫描加工范围。如果改变平场扫描聚焦镜的焦距，可以实现1米×1米的大范围扫描加工。相对于光束空间调制模块的扫描范围而言，本领域中扫描区域超过5毫米×5毫米的通常称为大幅面。

所述远心聚焦镜223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225置于移动平台（图中未示出）上，这样可以实现大范围的激光加工。

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。采用传统的振镜扫描进行加工加工单元之间的切换，振镜不再参与钻孔环切扫描或者微小尺寸范围均匀快速填充扫描，也提高的加工效率和加工质量。

上述实施例中，相邻平板光学元件的电机主轴相互空间垂直的同时，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中用于驱动第一石英平板玻璃和第二石英平板玻璃运动的驱动元件，也可以采用电致伸缩元件，如压电陶瓷等。电致伸缩元件在外加电场作用下发生长度伸缩，驱动元件第一石英平板玻璃和第二石英平板玻璃进行摆动或者平移。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，本发明提出一种大幅面微孔高速钻孔系统，其重要特点是：采用光束空间调制模块与振镜扫描平场聚焦模块的组合应用，光束空间调制模块对激光光束进行高速高精度空间轨迹调制，振镜扫描平场聚焦模块对激光焦点进行快速切换，二者分工与合作，本方案能够在进行大幅面微孔钻孔，大幅提高的激光钻孔效率与钻孔质量，且非常适合钻直孔，且激光光束填充扫描的形状和大小可以动态控制，微孔钻孔孔径大小动态可变,以及具备进行微细结构柔性加工能力。

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 (9)

1.一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：包括光束空间调制模块和振镜扫描平场聚焦模块，所述光束空间调制模块包括一个或者多个透明光学元件，每个所述透明光学元件安装在一个与其相对应的驱动装置上，每个所述透明光学元件均可在与其相对应的驱动装置的驱动下独立进行摆动和/或平移的驱动装置；

所述光束空间调制模块用于对入射激光束进行空间运动轨迹调制，形成按照设定轨迹运动的第一光束，并将该第一光束发射到所述振镜扫描平场聚焦模块；

所述振镜扫描平场聚焦模块，位于所述光束空间调制模块输出第一光束的一侧，用于接收从所述光束空间调制模块输出第一光束，并对第一光束进行聚焦，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所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述透明光学元件为透明平板光学元件，所述透明平板光学元件可在与其相对应的驱动装置的带动下进行摆动，并通过所述透明平板光学元件的摆动实现表面法线与入射激光束的夹角变化，来调整入射激光束与出射激光束的位移偏移量，控制激光束的空间扫描轨迹。

3.根据权利要求2所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述透明平板光学元件的表面镀有增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述透明光学元件为透明棱镜光学元件，所述透明棱镜光学元件可在与其相对应的驱动装置的带动下进行摆动和/或平移，并通过透明棱镜的摆动和/或平移来调整入射激光束与出射激光束的位移偏移量，并且控制光束的空间扫描轨迹。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述透明光学元件材料为普通光学玻璃或者石英玻璃或者蓝宝石。

6.根据权利要求1至4任一所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述驱动装置为电机，所述透明光学元件材料安装在所述电机主轴上；或者，所述驱动装置为电致伸缩元件，所述透明光学元件安装在电致伸缩元件上，电致伸缩元件在外加电场作用下发生长度伸缩，驱动所述透明光学元件摆动和/或平移；或者，所述驱动装置为多个电致伸缩元件，所述所述透明光学元件安装在所述多个电致伸缩元件上，电致伸缩元件在外加电场作用下发生长度伸缩，驱动所述透明光学元件摆动和/或平移。

7.根据权利要求6任一所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述电致伸缩元件为压电陶瓷。

8.根据权利要求1至4任一所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述光束空间调制模块包括三个或三个以上的透明光学元件，相对于透过的激光束而言，透明光学元件是串联的。

9.根据权利要求1至4任一所述的一种大幅面微孔高速钻孔系统，其特征在于：所述振镜扫描平场聚焦模块包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描振镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜安装在第一电机的主轴上，所述第二反射镜安装在第二电机的主轴上，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直，所述第一反射镜用于接收并反射从所述光束空间调制模块发射过来的第一光束，以形成发射给所述第二反射镜的第一反射光束，所述第二反射镜接收并反射所述第一反射光束，以形成发射到所述扫描平场聚焦镜的第二反射光束，所述扫描平场聚焦镜用于聚焦该第二反射光束，以形成发射到待加工表面的聚焦光束。

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