CN106141457B - 一种激光钻孔系统及激光钻孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光钻孔系统及激光钻孔方法，引入高速旋转运动光束的激光焦点的空间位置补偿机制，使得激光光束高速旋转时，聚焦光束的激光焦点始终保持在待加工工件表面或者特定空间位置，获得稳定高效的激光钻孔或填充钻孔效果；激光光束偏转运动模块置于入射光束旋转运动模块之后，对高速旋转的运动光束的运动轨迹轮廓大小进行调制，降低了入射光束旋转运动模块的通光孔径要求，极大提升了入射光束旋转运动模块旋转转速上限，降低了旋转光束的发散程度，获得更快的激光光束旋转转速，因而获得高效精确复杂的激光光束旋转或旋转填充运动。

Description

一种激光钻孔系统及激光钻孔方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种激光光束高速旋转运动控制的激光加工系统。

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201310042363.7的专利，激光偏移单元在激光旋转单元之前，激光偏转在获得光束的偏转角度外，光束在进入后续光学系统是，入射点也有位移，激光旋转单元需要较大的入射口径，需要较大的通光口径，很难做到高速或者超高速旋转。

光学镜片高速旋转时承受较大离心力，导致镜片旋转中心承受最大的拉应力，镜片旋转边缘承受相对较小离心力，因此镜片附加了一个发散光学系统，使得激光焦点离开平场扫描镜的聚焦平面，无法进行激光加工，且转速越高，激光焦点偏移距离越大。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种激光钻孔系统及激光钻孔方法，能够提高激光光束旋转速度并确保激光焦点保持在待加工工件表面或特定空间位置，并实现旋转光束的高速高精度精细调制，获得高速高精度的激光旋转填充钻孔效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种激光钻孔系统，包括入射光束旋转运动模块、高速旋转激光焦点空间位置补偿模块和激光聚焦与焦点切换模块；

所述入射光束旋转运动模块，用于对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

所述入射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激光光束旋转单元作旋转运动的驱动装置；所述旋转透射光学元件旋转速度大于6万转每分钟，所述旋转透射光学元件承受旋转离心力从而对透射光束产生光束发散功能，且转速越高，光束发散功能越强，所述第一光束的光束发散程度大于所述入射光束；

所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，用于对所述第一光束的光束发散角随着所述入射光束旋转运动模块旋转速度的变化而变化产生的聚焦光束的激光焦点空间位置的变化进行补偿，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或特定空间位置；

所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元；

所述高速旋转运动光束发散补偿单元，位于所述入射光束旋转运动模块之前或者位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于对所述入射光束或所述第一光束的光束发散角进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；

所述激光平场聚焦工作距补偿单元，用于根据所述入射光束旋转运动模块输出的第一光束的旋转速度，对所述扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得不论第一光束的旋转速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述待加工工件表面或者特定空间位置；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者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。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或衍射体光栅或光楔，所述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；所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机。

旋转透射光学元件在高速旋转(比如，超过6万转/分钟转速)时，旋转透射光学元件旋转中心部位的离心力最小，随着旋转透射光学元件旋转半径增加，旋转透射光学元件边缘承受最大离心力，此时，旋转透射光学元件旋转中心部位材料受到最大拉应力，对应部位材料折射率最小，旋转透射光学元件旋转边缘部位材料受到最小拉应力，对应部位材料折射率最大；转速越大，旋转透射光学元件中心和边缘的折射率差越大，形成更为明显凹透镜现象，相当于附加了一个变化的发散光学系统，使得激光焦点离开激光聚焦与焦点切换模块的原有聚焦平面，即离开了待加工工件的待加工位置，无法进行正常激光加工，且转速越高，激光焦点偏移距离越大，使用高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以确保聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面。

从公式角度描述，等厚旋转圆盘以等角速度ω绕其中心轴转动，若材料的密度为ρ，则旋转质点的径向离心力为：

f_r＝ρω²r

其中ρ为材料密度，ω为转速，r为旋转质点距离旋转中心的距离，即旋转半径。

上述同心圆盘圆心，即圆盘旋转中心在旋转截面上的应力积分：

上述公式表明，半径越大，旋转中心所受拉力越大；旋转角速度越高，旋转中心所受拉力越大，特别是随着转速的提高，对旋转中心所受拉力的影响更为明显：例如转速为10万转每分钟，转速的平方就是100亿，如果转速增加到30万转每分钟，那么转速的平方就是900亿，因此，转速上升到一定程度，旋转中心所受拉力的影响非常巨大。对于采用高速旋转光束进行激光微加工，必须考虑不同转速下面，激光发散角的变化，否则，由于激光微加工中聚焦焦点非常小，焦深短，在高速转速下，转速稍微变化，激光焦点就离开了原来的位置。本申请引入高速旋转运动光束的激光焦点的空间位置补偿机制，使得激光高速旋转时，激光焦点始终保持在待加工工件表面或者特定空间位置，获得稳定高效的激光填充钻孔效果。

在入射光束旋转模块高速旋转时，高速旋转激光焦点空间位置补偿模块用于保持激光焦点处于平场聚焦镜的焦平面上，一旦入射光束旋转模块停止旋转，如果高速旋转激光焦点空间位置补偿模块保持不变，此时激光焦点位于平场聚焦镜焦平面以上，即靠近平场聚焦镜方向，这时所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块继续对激光焦点位置进行补偿，使得激光焦点位于待加工工件表面或者特定空间位置。总之，入射光束旋转模块的转速在6万转每分钟以上，随着转速的变化，所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块必须对应变化，以保持聚焦光束激光焦点保持在待加工材料表面不变，即空间聚焦位置保持不变。本申请主要是通过对入射光束或者第一光束的光束发散角进行发散角补偿，或者根据第一光束的旋转运动速度来调整待加工工件与扫描平场聚焦镜之间的间距，使得聚焦光束的聚焦焦点始终保持在扫描平场聚焦镜的聚焦平面上，或者使得聚焦光束的聚焦焦点始终保持在待加工工件表面或者特定空间位置，提高激光钻孔效率且保证激光钻孔微加工稳定进行。

总之，由于驱动装置可以采用气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机，可以控制激光光束旋转单元高速或超高速旋转，极大提高其激光铣削加工效率，但也因此导致透射激光束发散，且不同转速发散程度不同，导致聚焦激光束焦点远离待加工工件表面的程度不同，因此本申请设置了高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，该模块对入射光束旋转运动模块输出光束进行发散角补偿，保持入射激光聚焦与焦点切换模块的光束发散角在一定范围内，使得聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面，或者调整平场聚焦镜与待加工材料的距离，使得激光焦点保持在待加工材料表面，使得激光光束旋转速度的变化时，保持聚焦光束的激光焦点在待加工材料表面或者特定空间位置，从而达到本申请的目的。

进一步的，所述入射光束旋转运动模块，包括两个或两个以上的串联的激光光束旋转单元，每一个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，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。

进一步的，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；

所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，经所述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。

进一步的，所述高速旋转运动光束发散补偿单元包括壳体和透镜组，所述透镜组安装于所述壳体内，所述透镜组包含至少两个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述第一光束的发散角补偿角度的调整。

所述进一步的有益效果为：随着激光光束的不同旋转转速，高速旋转运动光束发散补偿单元能够通过调整多个透镜之间的间距来实现实时对高速旋转激光光束的发散角补偿角度的调整，使得激光聚焦焦点始终处于待加工工件表面，提高激光加工效率。

进一步的，所述透镜组为一个凹透镜和至少一个凸透镜的组合，或者为至少两个凸透镜的组合。

在入射光束旋转运动模块高速旋转时，高速旋转运动光束发散补偿单元用于保持激光焦点处于平场聚焦镜的焦平面上，一旦入射光束旋转运动模块停止旋转，如果高速旋转运动光束发散补偿模块保持不变，此时激光焦点位于平场聚焦镜焦平面以上，即靠近平场聚焦镜方向，这时所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块继续对激光焦点位置进行补偿，使得激光焦点位于待加工工件表面或者特定空间位置。总之，入射光束旋转运动模块的转速在6万转每分钟以上，随着转速的变化，高速旋转运动光束发散补偿模块必须对应变化，以保持聚焦光束激光焦点保持在待加工材料表面不变，即空间聚焦平面保持不变。高速旋转运动光束发散补偿单元可以由凹透镜与凸透镜组合而成，也可以由凸透镜与凸透镜组合而成，组成形式多样。

进一步的，还包括激光光束偏转运动模块，所述激光光束偏转运动模块位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于采用偏转方式调节所述第一光束的运动轨迹轮廓大小，以形成第二光束，所述第二光束的运动由所述入射光束旋转运动模块单独调制或者由所述入射光束旋转运动模块和所述激光光束偏转运动模块共同调制。

进一步的，所述激光光束偏转运动模块包括一个或至少两个串联的激光光束偏转单元；

所述激光光束偏转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的电机或压电陶瓷；或者，

所述激光光束偏转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的电机或压电陶瓷；或者，

所述激光光束偏转单元包括声光偏转器，通过改变声光偏转器的驱动源的载波频率调节所述声光偏转器的布拉格光栅反射角，进而改变透射激光传输方向；或者，

所述激光光束偏转单元包括电光偏转单元，通过改变电光偏转器的驱动源的电压调节所述透射激光传输方向。

本申请采用了平场扫描聚焦镜作为平场扫描聚焦手段，平场扫描聚焦镜对光束进行聚焦后，激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离与平场扫描聚焦镜焦距成正比，与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角的变化值成正比，一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚焦镜焦距就确定，那么激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离理论上只与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角变化值成正比。所有平行激光束在入射同一个平场聚焦镜且平行激光束入射平场聚焦镜的方位(角度与位移)均在所述平场扫描聚焦镜设计范围内时，所有平行入射的激光束均聚焦于平场聚焦镜焦平面上同一个点。因此，激光光束偏转运动模块对光束的传输角度改变对激光焦点在平场扫描聚焦镜的聚焦平面的移动距离有贡献。

从公式上描述：

上述公式表明，半径越大，旋转中心所受拉力越大，因此需要降低旋转透射光学元件的通光孔径；同时，孔径过大，空心主轴电机的空心轴转速也上不去。本申请将激光光束偏转运动模块置于入射光束旋转运动模块之后，因为激光光束偏转运动模块对激光光束进行角度偏转时候，同时伴随着空间位移，即会改变激光光束在光学镜片上的入射点，如果将激光光束偏转运动模块置于入射光束旋转运动模块之前，那么就要求比较大的入射光束旋转运动模块输入孔径，这样直接导致了入射光束旋转运动模块高速旋转速度，速度越高的光束旋转模块，其光学孔径是越小的，因此，本申请将激光光束偏转运动模块置于入射光束旋转运动模块之后，降低了入射光束旋转运动模块的光学入射孔径的要求，直接对降低了入射光束旋转运动模块通光孔径的要求，有利于进一步提高主轴旋转速度，并且降低了旋转光学元件的半径要求，直接降低了旋转光学元件高速旋转时旋转中心所受拉应力，因而降低了第一光束的发散程度，这样，极大提升了入射光束旋转运动模块旋转转速上限，获得更快的激光光束旋转转速，因而获得高效精确复杂的激光光速填充运动。

本申请使用激光光束偏转运动模块，配合入射光束旋转运动模块，特别是带有高速甚至超高速(目前气浮主轴电机转速可达36万转/秒)的入射光束旋转运动模块，可以达到在激光束高速甚至是超高速旋转的同时，动态调制入射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在6万转/分钟以上为高速。

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。

本申请中所述激光聚焦与焦点切换模块，也可以是静态聚焦镜配合XY平台移动方式。

本申请的工作原理如下：入射激光经过入射光束旋转运动模块后，输出高速旋转光束，即第一光束，该旋转光束入射激光光束偏转运动模块，激光光束偏转运动模块对输入旋转光束进行偏转调制，获得偏转旋转复合运动激光束，即第二光束，所述第二光束的运动是入射光束旋转运动模块与激光光束偏转运动模块串联运动调制完成或者由入射光束旋转运动模块独立完成，其中，独立完成是指入射光束旋转运动模块对光束进行方位调制时，所述激光光束偏转运动模块不作方位调制。通过激光聚焦与焦点切换模块，对从激光光束偏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。

所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元；由于入射光束旋转运动模块的旋转透射光学元件高速旋转，在转速达到6万转以上时，发生明显的凹透镜现象，对透过光束有明显的发散作用，而且不同转速时发散作用不同，转速越高，发散作用越明显，激光焦点越远离平场聚焦镜的原有聚焦平面，因此，必须引入高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元。所述高速旋转运动光束发散补偿单元，可以位于入射光束旋转运动模块前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦与焦点切换模块之前，并对所述入射光束旋转运动模块输出光束进行发散角度补偿，保持入射所述激光聚焦与焦点切换模块的光束发散角，使得所述聚焦光束的激光焦点处于平场聚焦镜的原有聚焦平面上，使得激光微加工得以稳定持续进行，或者所述激光平场聚焦工作距补偿单元改变平场聚焦镜与待加工材料之间的间距，使得旋转激光焦点在光束旋转时，激光焦点处于待加工材料表面，从而达到本发明的目的。

另一方面，本发明提供了一种激光钻孔方法，包括：

S1、对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

S2、所述旋转光束进入激光聚焦与焦点切换模块进行聚焦形成聚焦光束，高速旋转激光焦点空间位置补偿模块针对不同旋转速度的第一光束，对聚焦光束的激光焦点进行空间位置补偿，使得所述聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；

S3、激光聚焦与焦点切换模块控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者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。

本发明的有益效果为：对入射光束进行传输方位旋转调制，第一光束可以运转到6万转以上，甚至几十万转每分钟，提供了强大的高效高质量钻孔潜力；引入了激光焦点位置补偿机制，不同的材料(材料种类，材料厚度等)需要不同的转速进行加工，采用本方法从可以让聚焦光束的激光焦点处于待加工材料表面或者指定地方进行稳定的激光微加工。激光的高速旋转与激光焦点位置补偿，两者缺一不可，否则无法进行高效稳定激光加工，已经被实验验证。在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述步骤S2具体为：

高速旋转运动光束发散补偿单元对所述第一光束的光束发散角进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述扫描平场聚焦镜的聚焦平面上或待加工工件表面或者特定空间位置；

或者，激光平场聚焦工作距补偿单元根据所述第一光束的旋转速度，对扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面上，其中，所述第一光束的旋转速度与扫描平场聚焦镜和待加工工件之间的间距具有对应关系；

或者，高速旋转运动光束发散补偿单元与激光平场聚焦工作距补偿单元共同作用，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面上。

所述进一步的有益效果为：通过对第一光束的光束发散角进行准直补偿，或者根据第一光束的旋转运动速度来调整待加工工件与扫描平场聚焦镜之间的间距，使得聚焦光束的聚焦焦点始终保持在所述扫描平场聚焦镜的聚焦平面上或始终保持在待加工工件表面或者特定空间位置，确保不同的激光旋转速度条件下，激光焦点保持在待加工材料表面，使得高速旋转激光微孔钻孔得以稳定实现。

进一步的，还包括：

激光光束偏转运动模块采用偏转方式调节所述第一光束的运动轨迹轮廓大小，以形成第二光束。

进一步的，所述待加工工件由不同材料的加工层组成的，所述入射光束根据加工不同材料的加工层，其脉冲能量或者脉冲峰值功率可动态切换。

所述进一步的有益效果为：入射激光脉冲能量动态变化，大大拓宽了激光钻孔工艺的延展性，加大了激光钻孔范围，提高激光钻孔质量。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种双面铜箔柔性电路板的激光钻孔系统结构示意图；

图2为入射光束旋转运动模块中的旋转透射光学元件的工作原理图；

图3为实施例2的金属箔激光钻孔系统结构示意图；

图4为实施例3的多层柔性电路板激光钻孔结构示意图；

图5为本发明实施例4的一种激光钻孔方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

1、入射光束，2、高速旋转运动光束发散补偿单元，201、壳体，202、第一凸透镜，203、第二凸透镜，204、第一凹透镜，205、第三凸透镜，3、发散角角度补偿后的光束，4、入射光束旋转运动模块，401、气浮主轴电机的空心主轴，402、旋转楔形棱镜，5、第一光束，6、激光光束偏转运动模块，601、第一摆动楔形棱镜，602、第一电机的电机主轴，603、摆动光束，604、第二电机，605、第二电机的电机主轴，606、第二摆动楔形棱镜，7、第二光束，8、激光聚焦与焦点切换模块，801第二电机的电机主轴，802、第二反射镜片，803、第一反射光束，804、第二反射光束，805、第一反射镜片，806、第一电机807的电机主轴，807、第一电机，808、远心扫描平场聚焦镜，809、聚焦光束，10、待加工工件。

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为双面铜箔柔性电路板激光钻孔系统结构示意图，如图1所示：双面铜箔柔性电路板激光钻孔系统主要包括入射光束旋转运动模块4、激光光束偏转运动模块6、高速旋转运动光束发散补偿单元2和激光聚焦与焦点切换模块8。

所述入射光束旋转运动模块4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楔形棱镜402，旋转楔形棱镜402的折射率为1.45，厚度3毫米，其两面均镀355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替代。所述旋转楔形棱镜402固定安装在气浮主轴电机的空心主轴401内，并一起做旋转运动。气浮主轴电机的空心主轴401内孔直径为10毫米，气浮主轴电机转速可达18万转/分钟。若选择更小通孔孔径的，气浮主轴电机转速可达36万转/分钟。入射光束旋转运动模块4对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度。

在入射光束旋转运动模块4之前还设置有高速旋转运动光束发散补偿模块2，用于对高速旋转运动的入射光束1的光束发散角度进行发散角角度补偿，使得激光高速旋转时候的激光焦点保持在待加工工件10表面或者特定空间加工位置。本实施例中，所述高速旋转运动光束发散补偿模块2包括两个串联的第一凸透镜202和第二凸透镜203，串联的第一凸透镜202和第一凸透镜203安装于壳体201内，所述壳体201为组合体(图中没有标示)，使得第一凸透镜202和第二凸透镜203之间的间距可调，实现对入射光束发散角的调整，从而实现高速旋转激光光束的发散角补偿，本实施例中，高速旋转运动光束发散补偿模块2位于入射光束旋转运动模块4之前，可以称呼为光束发散角前置补偿；实际上，高速旋转运动光束发散补偿模块2可以位于入射光束旋转运动模块4之后，可以称呼为光束发散角后置补偿。实际上，高速旋转运动光束发散补偿模块2内部也可以采用第一凹透镜204与第三凸透镜205的组合设计实现旋转光束发散角补偿。如果光束发散角后补偿涉及激光光束旋转角度的缩减，此时需要考虑旋转楔形镜片402的角度设计，以确保入射激光聚焦与焦点切换模块8的激光光束旋转角度在设计范围内。

所述激光光束偏转运动模块6包括两个激光光束偏转单元即第一激光光束偏转单元和第二激光光束偏转单元，第一激光光束偏转单元包括第一摆动楔形棱镜601和用于驱动所述第一摆动楔形棱镜601的第一电机，所述第一摆动楔形棱镜601安装在第一电机的电机主轴602上，且第一电机的电机主轴602轴向垂直于纸面。第二激光光束偏转单元包括第二摆动楔形棱镜606和用于驱动所述第二摆动楔形棱镜606的第二电机604，所述第二摆动楔形棱镜606安装在第二电机604的电机主轴605上。

所述激光聚焦与焦点切换模块8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平场扫描聚焦镜等类型。本实施例中，扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜808，远心平场扫描聚焦镜808的焦距为160毫米，平场聚焦范围70毫米×70毫米。扫描振镜包括第一反射镜片805和第二反射镜片802。

所述扫描振镜的第一反射镜片805安装在扫描振镜的第一电机807的电机主轴806上。所述扫描振镜的第二反射镜片802安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴801上。

所述待加工工件10为76微米厚度双面柔性铜箔，从外向里的加工层分别为：18微米铜箔+10微米环氧树脂胶+20微米聚酰亚胺树脂+10微米环氧树脂胶+18微米铜箔。

整个双面柔性铜箔激光钻孔的装置结构中的光路流程如下：入射光束1经高速旋转运动光束发散补偿模块2，输出发散角角度补偿后的光束3，发散角角度补偿后的光束3经入射光束旋转运动模块4中的旋转楔形棱镜402，输出第一光束5，第一光束5经激光光束偏转运动模块6输出第二光束7，其中，第一光束5入射激光光束偏转运动模块6中的第一摆动楔形棱镜602后得到摆动光束603，所述光束603经第二摆动楔形棱镜606输出第二光束7，所述第二光束7经扫描振镜第一反射镜片805得到第一反射光束804，所述第一反射光束804经扫描振镜的第二反射镜片802得到第二反射光束803，所述第二反射光束803经远心平场扫描聚焦镜808进行聚焦，得到聚焦光束809，所述聚焦光束809直接作用于待加工工件10。

所述入射光束1为直径为7毫米的入射扩束准直光束。

聚焦光束809的相关参数如下：激光波长355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8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。

所述第一摆动楔形棱镜601的折射率为1.45，最薄厚度1毫米，最厚厚度3毫米，其两面均镀355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602旋转，使得所述第一摆动楔形棱镜601的入射表面法线与入射光束1的角度α在0～10度范围内变化，并使得摆动光束603相对于第一光束5获得相应角度偏转，角度偏转量在0～0.5度范围之间变化。

所述第二摆动楔形棱镜606与第一摆动楔形棱镜601相同，但其旋转轴(即第二电机604的电机主轴605)与第一电机的电机主轴602空间交叉。第二电机304的电机主轴605控制所述第二摆动楔形棱镜606，使得所述第二摆动楔形棱镜606的入射表面法线与所述摆动光束603的角度α为0～10度变化，使得第二光束7相对于摆动光束603获得相应角度偏转，角度偏转量在0～0.5度范围之间变化。

所述第二摆动楔形棱镜606与第一摆动楔形棱镜601的运动对第一光束5进行了二维角度调制，使得第二光束7的运动轨迹是入射光束旋转运动模块4与激光光束偏转运动模块6双重调制结果。

扫描振镜的两片反射镜片即第一反射镜片805与第二反射镜片802相配合，每加工完毕一个孔，就把聚焦光束809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805与第二反射镜片802再一次锁定不动，此时激光出光。通过第二摆动楔形棱镜606与第一摆动楔形棱镜601的运动控制第二光束7轨迹，例如圆周运动，圆周直径100微米，如果旋转楔形棱镜402锁定不动，所述聚焦光束809会在工件10相应位置上刻划出150微米直径圆圈(焦点光斑直径50微米)，通过第二摆动楔形棱镜606与第一摆动楔形棱镜601的运动控制改变第二光束7的轨迹，聚焦光束809会在待加工工件10的相应位置上刻划出对应的轮廓。如果第二摆动楔形棱镜606与第一摆动楔形棱镜601锁定不动，所述旋转楔形棱镜402与旋转轴线成垂直并进行一定速度的旋转，所述旋转楔形棱镜402由于设计好一定楔角，使得第一光束5旋转全角为4毫弧度，那么，聚焦光束809在待加工工件10上形成直径700微米直径圆圈(焦点光斑直径50微米)。如果所述旋转楔形棱镜402进行一定速度的旋转，通过第二摆动楔形棱镜606与第一摆动楔形棱镜601的运动控制保持第二光束7的轨迹,例如第二光束7的光轴维持聚焦焦点的100微米的圆圈运动，那么聚焦光束809会在待加工工件10的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)；通过第二摆动楔形棱镜606与第一摆动楔形棱镜601的运动控制自动改变或者动态改变第二光束7的轨迹，那么聚焦光束809会在待加工工件10的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。所述扫描振镜用于接收从所述激光光束偏转运动模块6输出的第二光束7，所述第二光束7经扫描振镜反射后射入远心平场扫描聚焦镜808，经远心平场扫描聚焦镜808聚焦形成聚焦光束809，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。通过这种方法，可以在所述待加工工件10上钻出所需要的不同孔径的通孔阵列。

本实施例采用了平场聚焦镜作为平场扫描聚焦手段，包括普通平场扫描聚焦镜和远心平场扫描聚焦镜，所述普通平场扫描聚焦镜或者远心平场扫描聚焦镜对光束进行聚焦后，激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离与平场扫描聚焦镜焦距成正比，与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角的变化值成正比，一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚焦镜焦距就确定，那么激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离理论上只与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角变化值成正比。所有平行激光束在入射同一个平场聚焦镜且平行激光束入射平场聚焦镜的方位(角度与位移)均在所述平场聚焦镜设计范围内时，所有平行入射的激光束均聚焦于平场聚焦镜焦平面上同一个点。因此，所述激光光束偏转运动模块对光束的传输角度改变对激光焦点在平场聚焦镜的聚焦平面的移动距离有贡献，在改变光束传输角度的同时带来的光束平移，对激光焦点在平场聚焦镜的聚焦平面的移动距离没有贡献。

通过改变第一摆动楔形棱镜601、第二摆动楔形棱镜606的厚度或折射率，可以改变摆动光束603和第二光束7的扫描偏转角度大小；通过改变旋转楔形棱镜402的楔角或折射率，可以改变第一光束5的旋转全角。所有光束传输角度的变化都会体现在平场聚焦镜扫描聚焦平面上激光焦点的相对位移。

所述旋转透射光学元件在超过6万转/分钟转速旋转，旋转透射光学元件旋转中心部位的离心力最小，随着旋转透射光学元件旋转半径增加，旋转透射光学元件边缘承受最大离心力，此时，旋转透射光学元件旋转中心部位材料受到最大拉应力，对应部位材料折射率最小，旋转透射光学元件旋转边缘部位材料受到最小拉应力，对应部位材料折射率最大；转速越大，所述旋转透射光学元件中心和边缘的折射率差越大，形成更为明显凹透镜现象，所述高速旋转运动光束发散补偿模块，可以位于入射光束旋转运动模块前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦与焦点切换模块之前，并对所述入射光束旋转运动模块输出光束进行发散角角度补偿，保持入射所述激光聚焦与焦点切换模块的光束发散角，使得所述聚焦光束的激光焦点始终处于平场聚焦镜的聚焦平面上或者处于始终处于待加工工件的表面或者特定空间加工位置。

参见图2，所述旋转透射光学元件的原理为：其中，14为高速旋转镜片，图中1401/1402/1403/1404/1405分别为在镜片上假想的同心圆，同心圆的圆心为镜片旋转中心，每一个圆所处位置处的光学材料受到相同的离心力，内圆上的材料本身离心力小，但是由于受到外圆上材料的离心拉力，内圆上材料的力包括自身材料的离心力和外圆上材料的离心力的和力，因此越是内圆上的材料，所受拉力就越大，即1405圆圈上材料所受的拉力大于1404圆圈上材料所受的拉力，1404圆圈上材料所受的拉力大于1403圆圈上材料所受的拉力，1403圆圈上材料所受的拉力大于1402圆圈上材料所受的拉力，1402圆圈上材料所受的拉力大于1401圆圈上材料所受的拉力。高速旋转镜片14的旋转中心所受拉力最大。光学材料所受拉力越大，光学材料折射率越小，旋转镜片中心承受拉力最大，折射率最小，高速旋转镜片四周承受拉力最小，折射率最大，因此，平面的高速旋转镜片14就会变成发散凹透镜。

进一步从公式上描述，等厚旋转圆盘以等角速度ω绕其中心轴转动，若材料的密度为ρ，则旋转质点的径向离心力为：

f_r＝ρω²r；

其中ρ为材料密度，ω为转速，r为旋转质点距离旋转中心的距离，即旋转半径。

上述同心圆盘圆心，即圆盘旋转中心在旋转截面上的应力积分：

上述公式表明，半径越大，旋转中心所受拉力越大。旋转速度越大，旋转中心所受拉力越大。

本实施例中所述高速旋转运动光束发散补偿模块2位于所述入射光束旋转运动模块4前面，两个串联的第一凸透镜202和第二凸透镜203均镀有355nm增透膜，当所述入射光束旋转运动模块4的激光光束旋转单元进行高速旋转时，第一光束5也会高速旋转，在转速超过6万转每分钟时，其发散角开始发散，转速越高，发散越厉害，聚焦光束809的激光焦点开始远离远心平场扫描聚焦镜808，即激光焦点离开了待加工材料10的加工表面，此时可以调整两个凸透镜202和203之间的间距，压缩所输出光束的光束发散角，使得聚焦光束809的激光焦点保持在待加工材料10的加工表面；第一光束5转速越高，越需要进一步压缩所述高速旋转运动光束发散补偿模块2所输出光束的光束发散角，使得聚焦光束809的激光焦点保持在待加工工件10的加工表面。当然，如果是图4所述的情形，需要调整第一凹透镜204和第三凸透镜205之间的间距，进而调整所述高速旋转运动光束发散补偿模块2所输出光束的光束发散角，使得聚焦光束809的激光焦点保持在待加工工件10的加工表面，这是本申请的发明点之一。

本实施例采用了平场聚焦镜作为平场扫描聚焦手段，所述激光光束偏转运动模块6对光束的传输角度改变对激光焦点在平场聚焦镜的聚焦平面的移动距离有线性关系，在改变光束传输角度的同时带来的光束平移，对激光焦点在平场聚焦镜的聚焦平面的移动距离没有贡献。本实施例将激光光束偏转运动模块6置于入射光束旋转运动模块4之后，因为所述激光光束偏转运动模块6对激光光束进行角度偏转时候，同时伴随着空间位移，即会改变激光光束在光学镜片上的入射点，如果将所述激光光束偏转运动模块6置于入射光束旋转运动模块之前，那么就要求入射光束旋转运动模块4具备比较大的通光孔径，这样直接导致了入射光束旋转运动模块4旋转速度无法进一步提高，速度越高的光束旋转模块，其光学孔径是越小的。因此，本实施例将所述激光光束偏转运动模块6置于入射光束旋转运动模块4之后。本实施例将激光光束偏转运动模块6置于入射光束旋转运动模块4之后，降低了入射光束旋转运动模块的光学入射孔径的要求，有利于进一步提高主轴旋转速度，同时，通光孔径的降低也降低了旋转光学元件的直径，因而降低了旋转光学元件在高速旋转时的拉应力，降低了旋转光学元件的发散特性能力，更有利于减少旋转激光焦点漂移的距离。这是本申请的发明点之二，其好处是所述第一光束5可以获得更高的旋转转速，例如36万转每秒，如果激光光束偏转运动模块6置于入射光束旋转运动模块之前，由于需要较大的输入光学孔径(例如，激光偏转20毫弧度，偏转棱镜镜片离光学旋转单元至少200毫米，这样，仅仅是光束入射点的偏移距离就是20毫弧度*200毫米＝4毫米，加上8～10毫米光斑直径，再加上余量，因为激光束不可以接触到旋转气浮电主轴，因而所对应的气浮电主轴内空孔径至少需要15毫米，那种电主轴最高稳定转速不超过12万转每分钟)，只有选择旋转速度较慢一些的高速旋转模块，导致第一光束旋转速度上不来，极大影响了加工效率。所述激光光束偏转运动模块6与所述入射光束旋转运动模块4的相对位置的不同，结果差异十分巨大，选择将激光光束偏转运动模块6位于所述入射光束旋转运动模块4之后，这是本申请的另一个发明点。

所述远心平场扫描聚焦镜808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10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。

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。

实施例2：

图3为金属箔激光钻孔系统示意图，如图3所示：包括入射光束1、高速旋转运动光束发散补偿模块2、入射光束旋转运动模块4和激光聚焦与焦点切换模块8。

所述入射光束旋转运动模块4和激光聚焦与焦点切换模块8与实施例1相同。

在入射光束1与入射光束旋转运动模块4之间设置有高速旋转运动光束发散补偿模块2，用于对高速旋转运动光束发散角度补偿，使得激光高速旋转时候的激光焦点保持在平场聚焦镜的聚焦焦平面上。本实施例中，所述高速旋转运动光束发散补偿模块2包括第一凹透镜204和第三凸透镜205，所述第一凹透镜204与第三凸透镜205安装于壳体201内，所述壳体201为组合体(图中没有标示)，使得第一凹透镜204和第三凸透镜205之间的间距可调，实现输出激光束发散角的调整，从而实现高速旋转激光光束的发散角补偿，本实施例中，高速旋转运动光束发散补偿模块2位于入射光束旋转运动模块4之前，可以称呼为光束发散角前置补偿；实际上，高速旋转运动光束发散补偿模块2可以位于入射光束旋转运动模块4之后，可以称呼为光束发散角后补偿，此时需要考虑旋转楔形镜片402的角度设计，以确保入射到激光聚焦与焦点切换模块的激光光束旋转角度在设计范围内。

所述待加工工件10为厚度分别为50微米铜箔、100微米的不锈钢薄片。

本实施例光路流程与实施例1类似，只是本实施的金属箔激光钻孔系统在入射光束旋转运动模块2之后没有设置激光光束偏转运行模块6。

所述入射光束1为直径为7毫米的入射扩束准直光束，聚焦光束809的相关参数与实施例1同。

所述旋转透射光学元件在超过6万转/分钟转速旋转，旋转透射光学元件旋转中心部位的离心力最小，随着旋转透射光学元件旋转半径增加，旋转透射光学元件边缘承受最大离心力，此时，旋转透射光学元件旋转中心部位材料受到最大拉应力，对应部位材料折射率最小，旋转透射光学元件旋转边缘部位材料受到最小拉应力，对应部位材料折射率最大；转速越大，所述旋转透射光学元件中心和边缘的折射率差越大，形成更为明显凹透镜现象，所述高速旋转运动光束发散补偿模块，可以位于入射光束旋转运动模块前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦与焦点切换模块之前，并对所述入射光束旋转运动模块输出光束进行准直补偿，保持入射所述激光聚焦与焦点切换模块的光束发散角，使得所述聚焦光束的激光焦点处于平场聚焦镜的聚焦平面上。

本实施例中所述高速旋转运动光束发散补偿模块2可以由扩束器担任，该扩束器同时具备激光扩束功能和高速旋转运动光束发散补偿功能，所述扩束器位于所述入射光束旋转运动模块4前面，第一凹透镜204与第三凸透镜205均镀有355nm增透膜，当所述入射光束旋转运动模块4的激光光束旋转单元进行高速旋转时，第一光束5也会高速旋转，在转速超过6万转每分钟时，聚焦光束809的激光焦点开始远离远心平场扫描聚焦镜808，即激光焦点离开了待加工工件10的加工表面，此时可以调整第一凹透镜204与第三凸透镜205之间的间距，压缩所输出光束的光束发散角，使得聚焦光束809的激光焦点保持在待加工材料10的加工表面；第一光束5转速越高，也需要进一步压缩所述高速旋转运动光束发散补偿模块2所输出光束的光束发散角，使得聚焦光束809的激光焦点保持在待加工材料10的加工表面。这是本申请的发明点之一。

本实施例这种加工方式的好处是，针对不同的加工材料，需要或者同一种材料不同的加工部位，需要不同的激光转速时，可以保持激光焦点处于待加工材料表面，使得入射光束旋转运动模块具备实际应用价值。

本实施例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。

实施例3：

图4为多层柔性电路板激光钻孔系统示意图，如图4所示：包括入射光束1、高速旋转运动光束发散补偿模块2、入射光束旋转运动模块4、激光光束偏转运动模块6和激光聚焦与焦点切换模块8。

本实施例与前述实施例1的区别在于高速旋转运动光束发散补偿模块2内部透镜组由第一凹透镜204和第三凸透镜205组成，高速旋转运动光束发散补偿模块2在本实施例中其实具备激光扩束功能和高速旋转运动光束发散补偿功能。

本实施例在高速旋转光束发散补偿机制方面与实施例2相同。相比较实施例2，还包括：在入射光束旋转模块4与激光聚焦与焦点切换模块8之间，还设置有激光光束偏转运动模块6。所述第一光束5发射至位于所述激光光束偏转运动模块6中的激光光束偏转单元，并输出第二光束7，所述激光光束偏转运动模块6采用偏转方式调节所述第二光束7的运动轨迹轮廓大小，所述第二光束7的光束运动是入射光束旋转运动模块4与激光光束偏转运动模块6共同调制或者由入射光束旋转运动模块4单独调制运动。

相比较实施例2，本实施例的待加工工件10为不同材料叠加而成的多层加工层，入射光束1的脉冲能量根据加工不同层不同材料时，其脉冲能量或者峰值功率可以动态切换。

本实施例的好处是引入了激光光束偏转运动模块6，它可以高精度高速度控制第一光束的微小运动，特别适合于微孔(小于100微米)的填充钻孔。

上述实施例只是本申请的典型应用，实际上其原理应用不限于上面情形，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。

实施例4、一种激光钻孔方法。

参见图5，本实施例提供的激光填充方法包括以下步骤：

S1、对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

S2、所述旋转光束进入激光聚焦与焦点切换模块进行聚焦形成聚焦光束，高速旋转激光焦点空间位置补偿模块针对不同旋转速度的第一光束，对聚焦光束的激光焦点进行空间位置补偿，使得所述聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；

S3、激光聚焦与焦点切换模块控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者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。

具体的，在激光填充钻孔加工的过程中，为了提高填充钻孔加工的速度，对入射光束进行高速旋转且进行传输方位的调制，高度旋转后的第一光束是发散的，入射光束的旋转速度越大，第一光束的发散角会越大，最后会使得聚焦光束的聚焦焦点偏离待加工工件表面，入射光束的旋转速度越大，聚焦光束的聚焦焦点与待加工工件的偏离角度越大。为了使得聚焦光束的聚焦焦点始终集中于待加工工件表面上，本实施例对第一光束进行发散角角度补偿，具体的实现方式主要有三种：第一种，高速旋转运动光束发散补偿单元根据所述入射光束或者所述第一光束的旋转速度，分别对所述入射光束或第一光束的光束发散角的变化进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述扫描平场聚焦镜的聚焦平面上或待加工工件表面上或者特定空间位置，此种方式可以采用扩束器，扩束器由透镜组组成，透镜组内可由凸透镜和凸透镜组成，也可由凸透镜和凹透镜组成，对入射光束或者第一光束的发散角进行压缩补偿，其中，比如，第一光束的旋转速度越大，扩束器对第一光束的发散角的压缩补偿角度越大，对于压缩补偿角度的调节可通过调整透镜组内的各个透镜之间的间距实现；第二种方式为，根据所述第一光束的旋转速度，对扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述扫描平场聚焦镜的聚焦平面上，此种方式可通过调整待加工工件与扫描平场聚焦镜之间的间距来实现，当入射光束的旋转速度越大，第一光束的发散角也会越大，则增加待加工工件与扫描平场聚焦镜之间的间距，反之，减小待加工工件与扫描平场聚焦镜之间的间距；第三种方式为：高速旋转运动光束发散补偿单元与激光平场聚焦工作距补偿单元共同作用，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面上。

本实施例提供的方法还包括激光光束偏转运动模块采用偏转方式调节第一光束的运动轨迹轮廓大小，形成第二光束。因为本实施例采用偏转方式调节第一光束的运动轨迹轮廓大小，降低了入射光束旋转运动模块的光学入射孔径的要求，直接降低了对入射光束旋转运动模块4通光孔径的要求，有利于进一步提高主轴旋转速度，降低了高速旋转光学元件的光束发散特性。其中，待加工工件由不同材料的加工层组成的，所述入射光束根据加工不同材料的加工层，其脉冲能量或者脉冲峰值功率可动态切换，以实现不同材料的加工。

总之，本发明提出的一种激光钻孔系统及激光钻孔方法，引入了高速旋转运动光束发散补偿机制，使得激光高速旋转时候，激光焦点保持在待加工工件表面或者特定空间位置，获得稳定高效的激光填充钻孔效果；将激光光束偏转运动模块置于入射光束旋转运动模块之后，降低了入射光束旋转运动模块通光孔径要求，降低了高速旋转光学元件的光束发散特性，同时极大提升了入射光束旋转运动模块旋转转速上限，获得更快的激光光束旋转转速，因而获得高效精确复杂的激光光束钻孔或者填充钻孔运动。本发明特别适合于薄材料群孔加工，也特别适合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。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (12)

1.一种激光钻孔系统，其特征在于，包括入射光束旋转运动模块、高速旋转激光焦点空间位置补偿模块和激光聚焦与焦点切换模块；

所述入射光束旋转运动模块，用于对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；所述入射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激光光束旋转单元作旋转运动的驱动装置；所述旋转透射光学元件的旋转速度大于6万转每分钟，所述旋转透射光学元件承受旋转离心力从而对透射光束产生光束发散功能，且转速越高，光束发散功能越强，使得所述第一光束的光束发散程度大于所述入射光束；

所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，用于对所述第一光束的光束发散角随着所述入射光束旋转运动模块旋转速度的变化而变化产生的聚焦光束的激光焦点空间位置的变化进行补偿，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或特定空间位置；

所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元；

所述高速旋转运动光束发散补偿单元，位于所述入射光束旋转运动模块之前或者位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于对所述入射光束或所述第一光束的光束发散角进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；

所述激光平场聚焦工作距补偿单元，用于根据所述入射光束旋转运动模块输出的第一光束的旋转速度对扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得不论第一光束的旋转速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述待加工工件表面或者特定空间位置；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者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.如权利要求1所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或衍射体光栅或光楔，所述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；所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机。

3.如权利要求2所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，所述入射光束旋转运动模块，包括两个或两个以上的串联的激光光束旋转单元，每一个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，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。

4.如权利要求1所述的一种激光钻孔系统，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；

所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，经所述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。

5.如权利要求1所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，所述高速旋转运动光束发散补偿单元包含壳体和透镜组，所述透镜组安装于壳体内，所述透镜组包含至少两个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述入射光束或所述第一光束的发散角补偿角度的调整。

6.如权利要求5所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，所述透镜组为一个凹透镜和至少一个凸透镜的组合，或者为至少两个凸透镜的组合。

7.如权利要求1所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，还包括激光光束偏转运动模块，所述激光光束偏转运动模块位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于采用偏转方式调节所述第一光束的运动轨迹轮廓大小，以形成第二光束，所述第二光束的运动由所述入射光束旋转运动模块单独调制或者由所述入射光束旋转运动模块和所述激光光束偏转运动模块共同调制。

8.如权利要求7所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，所述激光光束偏转运动模块包括一个或至少两个串联的激光光束偏转单元；

所述激光光束偏转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的电机或压电陶瓷；或者，

所述激光光束偏转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的电机或压电陶瓷；或者，

所述激光光束偏转单元包括声光偏转器，通过改变声光偏转器的驱动源的载波频率调节所述声光偏转器的布拉格光栅反射角，进而改变透射激光传输方向；或者，

所述激光光束偏转单元包括电光偏转单元，通过改变电光偏转单元的驱动源的电压调节透射激光传输方向。

9.一种激光钻孔方法，其特征在于，包括：

S1、对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

S2、所述旋转光束进入激光聚焦与焦点切换模块进行聚焦形成聚焦光束，高速旋转激光焦点空间位置补偿模块针对不同旋转速度的第一光束，对聚焦光束的激光焦点进行空间位置补偿，使得所述聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；

S3、激光聚焦与焦点切换模块控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者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。

10.如权利要求9所述的一种激光钻孔方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

高速旋转运动光束发散补偿单元根据所述入射光束或者所述第一光束的旋转速度，分别对所述入射光束或者第一光束的光束发散角的变化进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于扫描平场聚焦镜的聚焦平面上或待加工工件表面上或者特定空间位置；

或者，激光平场聚焦工作距补偿单元根据所述第一光束的旋转速度，对扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面上或者特定空间位置，其中，所述第一光束的旋转速度与扫描平场聚焦镜和待加工工件之间的间距具有对应关系；

或者，高速旋转运动光束发散补偿单元与激光平场聚焦工作距补偿单元共同作用，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面上或者特定空间位置。

11.如权利要求9所述的一种激光钻孔方法，其特征在于，还包括：

激光光束偏转运动模块采用偏转方式调节所述第一光束的运动轨迹轮廓大小，以形成第二光束。

12.如权利要求9所述的一种激光钻孔方法，其特征在于，所述待加工工件由不同材料的加工层组成的，所述入射光束根据加工不同材料的加工层，其脉冲能量或者脉冲峰值功率可动态切换。