CN105921893A - 一种硬脆材料的激光钻孔系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光钻孔领域，具体涉及一种硬脆材料的激光钻孔系统，包括超快激光激光器，该超快激光激光器发射超快激光光束；分束器单元，该分束器单元包括分束器和光学镜片组件，该超快激光光束依次通过分束器、光学镜片组件形成若干道超快激光光束，并入射到聚焦单元中；聚焦单元，该聚焦单元设置在待加工硬脆材料上。本发明通过设计一种硬脆材料的激光钻孔系统，超快激光光束通过分束器形成若干道超快激光光束，并采用背刻蚀的加工技术在待加工硬脆材料的背面钻出无锥度的通孔，提高加工效率。

Description

一种硬脆材料的激光钻孔系统
技术领域
本发明涉及激光钻孔领域，具体涉及一种硬脆材料的激光钻孔系统。
背景技术
透明硬脆材料如玻璃、蓝宝石、透明陶瓷等的钻孔技术多采用机械的加工方式。但此方式效率较低，对于硬度较高的蓝宝石材料很难实现小于1mm孔的加工。
随着激光加工技术的发展，激光钻孔技术在透明硬脆材料的加工受到市场的关注。激光钻孔的方式有两种，正面烧蚀和背面刻蚀。正面烧蚀方式钻出的孔存在>5°锥度，不能满足市场苛刻的要求。背面刻蚀方法可以避免正面烧蚀钻孔技术产生锥度的缺点，孔壁接近垂直。采用超快激光作为背面刻蚀钻孔方式的光源，加工出的微孔边更加缘整齐，热作用区域更加小，加工质量可以满足客户的要求。
一般采用超快激光的激光钻孔方式，超快激光的脉冲宽度小于材料发生热传导的时间，加工材料的热作区域小。但是，在高频情况下，超短激光会出现类似纳秒激光的热作用区，失去超快激光加工的优势。高频的超快激光加工硬脆材料容易出现材料的崩边甚至炸裂，因而需要低频。超快激光的单脉冲的材料去除率较低，低频情况下造成了加工效率较低，特别是对于规律分布的多个微孔加工时，超快激光背刻蚀钻孔方法显现出加工效率低的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种硬脆材料的激光钻孔系统，提高超快激光背刻蚀钻孔方式的加工效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种硬脆材料的激光钻孔系统，包括：
超快激光激光器，该超快激光激光器发射超快激光光束；
分束器单元，该分束器单元包括分束器和光学镜片组件，该超快激光光束依次通过分束器、光学镜片组件形成若干道超快激光光束，并入射到聚焦单元中；
聚焦单元，该聚焦单元设置在待加工硬脆材料上，该聚焦单元将若干道超快激光光束的光斑聚焦在待加工硬脆材料的下表面，采用背刻蚀的加工技术在待加工硬脆材料的背面钻出无锥度的通孔。
其中，较佳方案是：该激光钻孔系统还包括一直线运动平台，该分束器单元设置在直线运动平台上，该分束器单元通过直线运动平台改变其入射到聚焦单元中的若干道超快激光光束之间的距离，从而改变通孔的间距。
其中，较佳方案是：该分束器为衍射分束器，该超快激光光束通过衍射分束器并按照释放角θ分成若干道超快激光光束。
其中，较佳方案是：该光学镜片组件包括第一聚焦镜和第二聚焦镜，该若干道超快激光光束通过第一聚焦镜改变光束的传播方向并使每道超快激光光束实现聚焦，且通过第二聚焦镜改变光束的传播方向并使其入射到聚焦单元中。
其中，较佳方案是：该光学镜片组件还包括一光刻掩板，该光刻掩板设置在第一聚焦镜和第二聚焦镜之间，该光刻掩板用于遮蔽衍射分束器产生的次级衍射。
其中，较佳方案是：该第一聚焦镜和第二聚焦镜均为平凸镜片。
其中，较佳方案是：该超快激光为皮秒红外激光、皮秒绿激光或飞秒红外激光。
其中，较佳方案是：该聚焦单元为振镜聚焦器，该振镜聚焦器用于将若干道超快激光光束的光斑聚焦在待加工硬脆材料的下表面，并用于调节激光参数，使聚焦区域的能量密度达到待加工硬脆材料的烧蚀阈值；其中，该激光参数至少包括激光聚焦焦距和光斑聚焦后的能量密度。
其中，较佳方案是：该激光钻孔系统还包括一控制平台，该控制平台分别与超快激光激光器、聚焦单元和直线运动平台连接，该控制平台根据用户指令或预设指令分别控制超快激光激光器、聚焦单元和直线运动平台。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种硬脆材料的激光钻孔系统，超快激光光束通过分束器形成若干道超快激光光束，并采用背刻蚀的加工技术在待加工硬脆材料的背面钻出无锥度的通孔，提高加工效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明硬脆材料的激光钻孔系统的结构示意图；
图2是本发明分束器单元的结构示意图；
图3是本发明聚焦单元的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1所示，本发明提供一种硬脆材料的激光钻孔系统的优选实施例。
一种硬脆材料的激光钻孔系统，包括依次设置的超快激光激光器10、分束器21单元和聚焦单元30，聚焦单元30设置在待加工硬脆材料40上。具体地，超快激光激光器10发射超快激光光束11；分束器21单元包括分束器21和光学镜片组件22，该超快激光光束11依次通过分束器21、光学镜片组件22形成若干道超快激光光束11，并入射到聚焦单元30中；聚焦单元30设置在待加工硬脆材料40上，该聚焦单元30将若干道超快激光光束11的光斑聚焦在待加工硬脆材料40的下表面，采用背刻蚀的加工技术在待加工硬脆材料40的背面钻出无锥度的通孔。
其中，超快激光为皮秒红外激光、皮秒绿激光或飞秒红外激光。
其中，本实施例中提及的待加工硬脆材料40一般为透明硬脆材料，通过背刻蚀的加工技术从透明硬脆材料的底部(背部)开始激光钻孔，钻出无锥度的通孔。
如图1和图2所示，本发明提供分束器单元的较佳实施例。
参考图2，分束器21为衍射分束器21，该超快激光光束11通过衍射分束器21并按照释放角θ分成若干道超快激光光束11，即任意相邻的两激光光束的夹角为θ，并通过光学镜片、聚焦单元30入射到待加工硬脆材料40的下表面，实现多孔同时加工，提高加工效率。
具体地，超快激光激光器10发射出原始超快激光光束111，原始超快激光光束111通过分束器21形成若干道超快激光光束112，超快激光光束112通过第一聚焦镜221改变光束的传播方向以及聚焦，形成加工超快激光光束113。
进一步地，光学镜片组件22包括第一聚焦镜221和第二聚焦镜223，该若干道超快激光光束11通过第一聚焦镜221改变光束的传播方向并使每道超快激光光束11实现聚焦，且通过第二聚焦镜223改变光束的传播方向并使其入射到聚焦单元30中。通过第一聚焦镜221和第二聚焦镜223，稳定超快激光光束11聚焦时焦点的能量，防止加工时待加工硬脆材料40发生爆炸。
优选地，该第一聚焦镜221和第二聚焦镜223均为平凸镜片，第一聚焦镜221的凸面朝向第二聚焦镜223，第二聚焦镜223的凸面朝向第一聚焦镜221。
进一步地，该光学镜片组件22还包括一光刻掩板222，该光刻掩板222设置在第一聚焦镜221和第二聚焦镜223之间，该光刻掩板222用于遮蔽衍射分束器21产生的次级衍射。
如图1和图3所示，本发明提供聚焦单元的较佳实施例。
聚焦单元30为振镜聚焦器，该振镜聚焦器用于将若干道超快激光光束11的光斑聚焦在待加工硬脆材料40的下表面，并用于调节激光参数，使聚焦区域的能量密度达到待加工硬脆材料40的烧蚀阈值；其中，该激光参数至少包括激光聚焦焦距和光斑聚焦后的能量密度。
进一步地，激光钻孔系统还包括一直线运动平台，该分束器21单元设置在直线运动平台上，该分束器21单元通过直线运动平台改变其入射到聚焦单元30中的若干道超快激光光束11之间的距离，从而改变通孔的间距。
具体的，分束器21单元将若干道超快激光光束11入射到聚焦单元30中的距离不同，如距离d1和距离d2，两者所对应的出射聚焦单元30的超快激光光束11间的距离是不同的，如距离s1和距离s2。
在发明中，激光钻孔系统还提供一种控制平台的较佳实施例。
激光钻孔系统还包括一控制平台，该控制平台分别与超快激光激光器10、聚焦单元30和直线运动平台连接，该控制平台根据用户指令或预设指令分别控制超快激光激光器10、聚焦单元30和直线运动平台。
控制平台根据用户指令或预设指令控制超快激光激光器10发射出不同参数的超快激光光束11，满足不同待加工硬脆材料40或不同加工通孔的需求。同时，控制平台根据用户指令或预设指令控制聚焦单元30工作，如调节合理的工艺参数，使得聚焦区域的能量密度达到材料的烧蚀阈值，激光聚焦焦距为60～100mm，光斑聚焦后的能量密度为1～3J/cm2；上述工艺参数为某一实施参数，还能根据实际情况进行相应设置。以及，控制平台根据用户指令或预设指令控制直线运动平台移动，改变分束器21单元入射到聚焦单元30中的若干道超快激光光束11之间的距离，从而改变通孔的间距，实现智能钻孔。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (9)

1.一种硬脆材料的激光钻孔系统，其特征在于，包括：
超快激光激光器，该超快激光激光器发射超快激光光束；
分束器单元，该分束器单元包括分束器和光学镜片组件，该超快激光光束依次通过分束器、光学镜片组件形成若干道超快激光光束，并入射到聚焦单元中；
聚焦单元，该聚焦单元设置在待加工硬脆材料上，该聚焦单元将若干道超快激光光束的光斑聚焦在待加工硬脆材料的下表面，采用背刻蚀的加工技术在待加工硬脆材料的背面钻出无锥度的通孔。
2.根据权利要求1所述的激光钻孔系统，其特征在于：该激光钻孔系统还包括一直线运动平台，该分束器单元设置在直线运动平台上，该分束器单元通过直线运动平台改变其入射到聚焦单元中的若干道超快激光光束之间的距离，从而改变通孔的间距。
3.根据权利要求1或2所述的激光钻孔系统，其特征在于：该分束器为衍射分束器，该超快激光光束通过衍射分束器并按照释放角θ分成若干道超快激光光束。
4.根据权利要求3所述的激光钻孔系统，其特征在于：该光学镜片组件包括第一聚焦镜和第二聚焦镜，该若干道超快激光光束通过第一聚焦镜改变光束的传播方向并使每道超快激光光束实现聚焦，且通过第二聚焦镜改变光束的传播方向并使其入射到聚焦单元中。
5.根据权利要求4所述的激光钻孔系统，其特征在于：该光学镜片组件还包括一光刻掩板，该光刻掩板设置在第一聚焦镜和第二聚焦镜之间，该光刻掩板用于遮蔽衍射分束器产生的次级衍射。
6.根据权利要求4所述的激光钻孔系统，其特征在于：该第一聚焦镜和第二聚焦镜均为平凸镜片。
7.根据权利要求1所述的激光钻孔系统，其特征在于：该超快激光为皮秒红外激光、皮秒绿激光或飞秒红外激光。
8.根据权利要求1所述的激光钻孔系统，其特征在于：该聚焦单元为振镜聚焦器，该振镜聚焦器用于将若干道超快激光光束的光斑聚焦在待加工硬脆材料的下表面，并用于调节激光参数，使聚焦区域的能量密度达到待加工硬脆材料的烧蚀阈值；其中，该激光参数至少包括激光聚焦焦距和光斑聚焦后的能量密度。
9.根据权利要求2所述的激光钻孔系统，其特征在于：该激光钻孔系统还包括一控制平台，该控制平台分别与超快激光激光器、聚焦单元和直线运动平台连接，该控制平台根据用户指令或预设指令分别控制超快激光激光器、聚焦单元和直线运动平台。
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