CN106624391A - 一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统及钻孔方法，铣削钻孔系统包括开窗铣削激光器、选择铣削激光器、激光合束器和激光聚焦与焦点切换模块，实现了在同一个钻孔光学聚焦系统下，即激光聚焦与焦点切换模块，设置了空间组合激光焦点，在加工多层不同材料的薄片板时，不同特性的激光焦点，可以用来加工不同层材料，这样可以大幅度提高激光加工效率和激光加工品质，特别是在加工多层不同材料叠加的薄片板的盲孔钻孔时候，在盲孔最后一层激光破坏阈值低材料的铣削时，采用选择铣削激光焦点去除该材料，不用担心损伤下一层激光破坏阈值高材料，带来很好的工艺稳定区间，节省了加工时间提高了加工效率，获得很好的加工效果。

Description

一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及 方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法。

背景技术

目前的紫外激光电路板盲孔钻孔，属于激光加工领域高难度领域，一般PCB板特别是柔性电路板，是多层材料叠加而成，激光需要在很小的维度(一般是10毫米以内)进行去除铜皮、铜皮下面的绝缘层，且不伤下一层的底铜，且要求孔壁光滑，表面铜皮不翘起，并要求高速钻孔。目前据了解所有的紫外激光PCB盲孔钻孔，在去除铜皮之间的绝缘层的时候，主要是去除聚酰亚胺等材料，都是采用激光焦点离焦的做法，即激光先聚焦在铜皮表面，去掉铜皮以后，激光焦点离开铜皮，采用离焦大光斑进行清除铜皮下面的绝缘层材料，由于离焦光斑峰值功率低，因此该离焦光斑仅仅去除绝缘层，不去除铜层，因此可以获得满意的盲孔。但是，由于激光离焦运动时间远远超过激光钻孔时间，因此，激光焦点离焦清除电路板绝缘材料层是一个非常低效但是无奈的办法。

发明内容

本发明提供了一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法，能够解决现有技术的缺陷和不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统，包括开窗铣削激光器、选择铣削激光器、激光合束器和激光聚焦与焦点切换模块；

所述开窗铣削激光器，用于产生第一开窗铣削激光束，并入射激光合束器；

所述选择铣削激光器，用于产生第一选择铣削激光束，并入射激光合束器；

所述激光合束器，用于对入射的所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并分别入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；

所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；

在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；

所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足以铣削所述激光破坏阈值高材料。

需要说明的是，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米，指的是所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的空间最大距离小于10毫米，只有开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点才构成空间组合激光聚焦焦点。只有激光焦点之间足够靠近，才能够在加工盲孔时候发挥最大的加工效率。

需要说明的是，激光破坏阈值高材料，说明需要高峰值功率密度的激光脉冲聚焦进行加工；激光破坏阈值低材料，说明只需要满足激光破坏材料阈值的激光脉冲聚焦光斑进行加工即可，即低峰值功率激光器；

本发明的有益效果为：多束激光通过同一激光聚焦系统聚焦，即多束激光均通过激光聚焦与焦点切换模块进行聚焦，其中多束激光中开窗铣削激光束进行高速高精度微细光斑聚焦钻孔，对待加工工件中激光破坏阈值高材料进行铣削加工，多束激光中选择铣削激光束对待加工工件中激光破坏阈值低材料进行铣削加工。本发明采用不同特性的激光聚焦焦点对待加工工件的不同种类材料的加工层进行铣削加工，结合振镜扫描进行孔与孔之间加工切换等技术，实现高效高精度高质量激光钻孔，非常适合于对由多层材料组成的待加工工件的铣削加工。

特别是在由多种不同激光破坏阈值材料构成的多层薄片板的盲孔应用中，采用不同峰值功率密度的激光焦点，高峰值功率密度的开窗铣削激光焦点进行大刀阔斧的开窗铣削加工，在加工到盲孔孔底最后一层的激光破坏阈值低材料时停下，否则高峰值功率密度的开窗铣削激光焦点很容易打穿孔底或者没有打穿孔底但孔底的激光破坏阈值低材料没有清理干净，直接影响后道工序的填空镀铜工序。采用申请技术方案，此时不需要再采用传统的方法，即让开窗铣削激光焦点离焦来加工盲孔孔底最后一层待加工的激光破坏阈值低材料，而是由选择铣削激光焦点进行轻松的选择性铣削这层材料，不担心会伤及孔底，因为选择铣削激光焦点的峰值功率不足以打坏盲孔孔底那层激光破坏阈值高材料，而选择铣削激光束的出光延时时间大约不到1微秒，如果采用激光焦点离焦方式，一般需要300毫秒才可以进行这一层材料的铣削加工，因此，本申请这种方案节省了大量的激光加工时间，此时不担心伤害盲孔孔底材料，稳定工艺参数区间大大扩宽。

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，所述开窗铣削激光器为短激光脉冲激光器，所述选择铣削激光器为长激光脉冲激光器，其中，长短是所述开窗铣削激光器与所述选择铣削激光器相对而言。

如此选择的原因是，激光破坏阈值高材料需要采用高峰值功率激光器加工，因此所述开窗铣削激光器选择窄脉宽激光器，而激光破坏阈值低材料如果也采用高峰值功率激光器加工，非常容易产生大量等离子体，不但影响后续激光脉冲的进一步耦合到材料表面，而且带来大量热影响区(等离子体加热造成加工区域过热)，非常影响激光加工效率和效果，因此所述选择铣削激光器选择长脉宽激光器，可以非常好的避免等离子体的大量产生，非常有利于保障好的激光加工效率和效果。这就是对于多层材料的加工，采用空间组合激光聚焦焦点带来的好处，可以针对待加工材料的种类，选用不同的激光光源进行组合。

进一步，所述离散度小于100微米，尽量减少所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点之间的空间距离，为所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点对同一个孔位加工节省空间移动时间，进而节省加工时间。

进一步的，还包括光束整形器，所述光束整形器位于所述选择铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一选择铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的选择铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑；或者所述光束整形器位于所述开窗铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一开窗铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的开窗铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑。

所述光束整形器可以是微透镜阵列、鼓型透镜阵列、高透过率散射片、方形/八边形光纤均匀、光束整形透镜、衍射光学元件(二元光学器件)或者这些形式的组合，使得所述开窗铣削激光束和/或所述选择铣削激光束经所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦获得横向场强分布为平顶或者准平顶的开窗铣削激光聚焦光斑和/或选择铣削激光聚焦光斑。开窗铣削激光聚焦光斑，可以获得好的开窗铣削效果，减小铣削锥度；选择铣削激光焦点选用平顶分布激光光斑，可获得较好的激光铣削效果。

进一步的，在待加工工件表面，所述选择铣削激光聚焦焦点的光斑直径大于所述开窗铣削激光聚焦焦点的光斑直径。

所述进一步的有益效果为：考虑到不同材料特性，对于激光破坏阈值高材料，可以采用短脉宽激光光源，对于激光破坏阈值高材料，可以采用长脉宽激光光源，长脉宽激光光源在加工激光破坏阈值低材料时候，相对不容易产生激光等离子体，有利于提升激光加工效率和品质，而采用空间组合激光聚焦焦点加工多层材料叠加的盲孔，非常适合于采用不同特性的光源聚焦形成空间组合激光聚焦焦点，加工不同的材料就使用不同特性的激光焦点进行加工，其中，不同特性的激光焦点是指激光焦点的光斑大小、光斑激光能量分布、光斑激光峰值功率密度、光斑激光脉冲能量何光斑激光脉冲宽度等不同。其中，激光聚焦焦点的不同特性，是由对应激光光源输出特性、光束传输外光路的配置决定的，可以根据具体应用需要进行具体设计，所述的光束传输外光路包括但不限于激光扩束、激光光束整形、激光聚焦系统等。

进一步的，还包括激光精细调制运动模块，所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间，用于对所述第一开窗铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的开窗铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间，用于对所述第一选择铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间，用于对合束后的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行运动调制，进而带动选择铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动。

进一步的，当所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间时，或者，当所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间时，所述激光精细调制运动模块，还用于调制所述第一开窗铣削激光束或者调制所述第一选择铣削激光束，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度；

当所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间时，所述激光精细调制运动模块，还用于调制所述第二开窗铣削激光束或者第二选择铣削激光束，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点或所述选择铣削激光聚焦焦点向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度。

所述进一步的有益效果为：这种设计的好处是，随着系统长时间使用后，由于机台的机械应力形变等原因造成空间组合激光聚焦焦点内各焦点空间位置发生变化时，所述激光精细调制运动模块可以补偿这些细微变化，确保了系统长期稳定使用，确保空间组合激光聚焦焦点的离散度在一定范围内，从而确保空间组合激光焦点对同一孔位加工的高效快捷。

进一步的，所述激光精细调制运动模块为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或折射棱镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜或其中任意两者或多者的组合；

当所述激光精细调制运动模块为声光偏转器时，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入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向；

当所述激光精细调制运动模块为电光偏转器时，通过改变电光偏转器的驱动源的电压调节所述入射激光传输方向；

压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜，是指反射镜被驱动偏摆，入射到反射镜的激光束偏摆角发生变化；或，电流计驱动折射棱镜，是指折射镜被驱动偏摆，入射到折射棱镜的激光束经折射后折射角度发生变化；

电主轴电机驱动旋转折射棱镜，是指折射棱镜旋转时，入射到折射棱镜的激光束经折射后折射光束发生旋转。

进一步的，所述激光合束器为偏振合束元件或为至少两个反射镜的组合。

进一步的，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态聚焦单元；

所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜；所述扫描平场聚焦镜用于对从所述激光合束器输出的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换，或者在一个孔位对激光焦点运动进行运动调制；

或者，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜、扫描振镜和二维运动平台；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换，或者在一个孔位对激光焦点运动进行运动调制；所述二维运动平台用于承载待加工工件以及加工区域的切换或者与振镜扫描进行复合联动；

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合束器输出的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点；所述线性移动平台用于控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的切换。

进一步的，当空间组合激光焦点对同一个孔位进行加工时，如果所述开窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点没有进入孔位加工位置，则需要所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块把对应的激光焦点切换到对应孔位进行加工。

最好的情况是，不经过所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块调整，所述窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点同时处于待加工孔位位置，这样最省钻孔时间。

进一步的，所述待加工工件为多层电路板基材，所述激光破坏阈值高材料为铜或者金或者银，或者其他导电材料，所述激光破坏阈值低材料为聚酰亚胺、聚酯、丙烯酸粘接层或改良型环氧树脂。

进一步的，所述开窗铣削激光器和所述选择铣削激光器可以为同一台激光器，该激光器发出激光经过光路切换光开关进行光路切换，分别产生第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束。

另一方面，本发明提供了一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工方法，包括：

S1，由开窗铣削激光器产生的第一开窗铣削激光束以及由选择铣削激光器产生的第一选择铣削激光束分别入射激光合束器；

S2，激光合束器对所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并入射激光聚焦与焦点切换模块；

S3，激光聚焦与焦点切换模块对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；

所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；

在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；

所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足以铣削所述激光破坏阈值高材料。

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，还包括：

在所述选择铣削激光器与所述激光合束器之间设置光束整形器，对第一选择铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的选择铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑。

进一步的，所述离散度小于100微米，尽量减少所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点之间的空间距离，为所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点对同一个孔位加工节省空间移动时间，进而节省加工时间。

进一步的，还包括：

在所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间设置激光精细调制运动模块，对所述第一开窗铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的开窗铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

在所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间设置激光精细调制运动模块，对所述第一选择铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

在所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间设置激光精细调制运动模块，对合束后的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行运动调制，进而带动选择铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动。

本发明的有益效果是：在加工多层不同材料的薄片板时，不同特性的激光焦点，可以用来加工不同层材料，这样可以大幅度提高激光加工效率和激光加工品质，特别是在加工由多层不同材料叠加的薄片板的盲孔钻孔时，在盲孔最后一层激光破坏阈值低材料的铣削时，采用选择铣削激光焦点去除该材料，不用担心损伤下一层激光破坏阈值高材料，带来很好的工艺稳定区间，与传统的激光焦点离焦耗时加工方式相比，节省了加工时间由于选择铣削激光焦点的光斑大，提高了加工效率。

进一步的，当所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间时，或者，当所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间时，所述激光精细调制运动模块还对所述第一开窗铣削激光束或者调制所述第一选择铣削激光束进行调制，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度；

当所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间时，所述激光精细调制运动模块还对所述第二开窗铣削激光束或者第二选择铣削激光束进行调制，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点或所述选择铣削激光聚焦焦点向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度。

本申请中当空间组合激光焦点对同一个孔位进行加工时候，如果所述开窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点没有进入孔位加工位置，则需要所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块把对应的激光焦点切换到对应孔位进行加工。最好的情况是，不经过所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块调整，所述开窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点同时处于待加工孔位位置，这样最省钻孔时间。

本申请公开的一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法，开窗铣削激光器和所述选择铣削激光器可以为两台激光器，也可以为同一台激光器，当开窗铣削激光器和选择铣削激光器为同一台激光器时，该激光器发出的激光可以经过光路切换光开关进行光路切换，分别产生第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束；优选的，该激光器具备脉冲能量以及脉冲重复频率动态控制功能；所述光路切换光开关包含光路切换电光开关或者光路切换声光开关或者高速振镜光路切换开关，或者这些器件的组合。

在盲孔加工过程中，当需要所述开窗铣削激光聚焦焦点加工时，光路切换光开关把铣削激光器输出的激光束偏向开窗铣削激光束光路，形成第一开窗铣削激光束，此时所述铣削激光器相当于前面所述开窗铣削激光器；当需要所述选择铣削激光聚焦焦点加工时，光路切换光开关把铣削激光器输出的激光束偏向选择铣削激光束光路，形成第一选择铣削激光束，此时所述铣削激光器相当于前面所述选择铣削激光器。所述铣削激光器的输出光束在切换到任一光路时，铣削激光器的开关光控制按照空间组合激光焦点的加工要求进行，或者，按照对应的所述开窗铣削激光器和选择铣削激光器控制要求进行。

其中，光路切换电光开关，利用晶体的电光效应，改变透射激光的偏振态，并结合偏振分束光学元件构成的开关。所述电光效应，是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应的现象，即透明物质的折射率因外加电场而发生变化的现象。当加在晶体上的电场方向与通光方向平行,称为纵向电光调制；当通光方向与所加电场方向相垂直,称为横向电光调制。利用电光效应可以实现对光波的振幅调制(强度调制调制器)和位相调制(电光相位调制器)。当电光晶体上不加电压，激光束通过偏振分束光学元件或者被偏振分束元件按照一定角度反射；对应的，当电光晶体上加一定电压，激光束被偏振分束元件按照一定角度反射或者通过偏振分束光学元件，这样实现了光束的开关切换。

光路切换声光开关是指利用声光调制技术或者声光偏转技术，对激光束进行光束偏摆切换的光开关。声光开关由声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成周期性的折射率变化而成为相位型衍射光栅，光束通过介质时被光栅衍射改变光的传播方向，衍射光的强度和方向随超声波的强度和频率的状态而变化。这就是超声波与光的相互作用，即声光效应，该效应就是声光开关和声光偏转器的工作原理。

高速振镜光路切换开关是一种优良的矢量扫描器件，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故，只能偏转，偏转角与电流成正比，高速振镜光路切换开关的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V—5V或-10V－+10V的直流信号取代，以完成预定的动作。本发明的光路切换也可以有高速振镜完成，利用高速振镜的反射镜片把入射到振镜镜片上的光束进行空间切换，从而实现光束的开关与切换。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统结构示意图；

图2-1为多层材料钻孔前截面图；

图2-2为多层材料开窗铣削截面图；

图2-3为盲孔截面图；

图3为本发明实施例1中激光合束器的具体结构示意图；

图4为本发明实施例2的一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统结构示意图；

图5为本发明实施例3的一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、开窗铣削激光器，11、第一开窗铣削激光束，2、选择铣削激光器，21、第一选择铣削激光束，3、光束整形器，4、激光精细调制运动模块，5、激光合束器，501、偏振合束元件，502、激光合束器第一反射镜，503、激光合束器第二反射镜，6、第二开窗铣削激光束，7、第二选择铣削激光束，8、激光聚焦与焦点切换，801、第二电机的电机主轴，802第二反射镜片，803、第二反射平行光束，804、第一反射平行光束，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，9、聚焦光束，10、待加工工件，1001、第一铜层，1002、聚酰亚胺层，1003、第二铜层，1004、去掉铜皮的盲孔，1005、盲孔。

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、一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统。下面结合图1-图3对本实施例提供的系统进行详细说明。

参见图1，本实施例提供的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统包括开窗铣削激光器1、选择铣削激光器2、激光合束器5和激光聚焦与焦点切换模块8；

所述开窗铣削激光器1，用于产生第一开窗铣削激光束11，并入射激光合束器5；

所述选择铣削激光器2，用于产生第一选择铣削激光束21，并入射激光合束器5；

所述激光合束器5，用于对入射的所述第一开窗铣削激光束11和第一选择铣削激光束21进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束6和第二选择铣削激光束7，并分别入射所述激光聚焦与焦点切换模块8；

所述激光聚焦与焦点切换模块8，用于对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束6和第二选择铣削激光束7进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件10的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件10的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；优选的，所述离散度小于100微米，尽量减少所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点之间的空间距离，为所述开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点对同一个孔位加工节省空间移动时间，进而节省加工时间。

所述待加工工件10为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件10的盲孔时，所述待加工工件10包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；

在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器1出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器1激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件10的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器2出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件10的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；

所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足以铣削所述激光破坏阈值高材料。

下面以对印刷电路板的盲孔进行分层铣削钻孔为例进行说明。

开窗铣削激光器1产生第一开窗铣削激光束11并入射激光合束器5，选择铣削激光器2产生第一选择铣削激光束21，并入射激光合束器5。其中，第一开窗铣削激光束11与第一选择铣削激光束21的激光波长可以相同，也可以不同，第一开窗铣削激光束11为脉冲激光束，第一选择铣削激光束21可以为连续激光束，也可以为脉冲激光束。例如，第一开窗铣削激光束11与第一选择铣削激光束21波长均为355纳米波长的紫外激光或者绿光激光或者红外激光，或者第一开窗铣削激光束11为皮秒激光，第一选择铣削激光束21为长脉宽激光等等。

所述激光合束器5将入射的第一开窗铣削激光束11和第一选择铣削激光束21进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束6和第二选择铣削激光束7，并入射激光聚焦与焦点切换模块8。

本实施例中的激光合束器5为偏振合束元件501，实际上，偏振合束元件501至少可以采用以下四种技术方案，第一种技术方案是偏振分束器(PBS＝polarizing beamsplitter)反过来使用，所述偏振分束器能够使得一个偏振态光反射，另一个偏振态光束透射，在进行两种偏振态光束合束时，一种偏振态光束P偏振光和和另一种偏振态光束S偏振光分别从偏振分束器对应输出端输入，那么偏振分束器输入端可以输出P偏振光和S偏振光合束的激光光束；第二种技术方案是采用薄膜偏振片(Thin Film Polarizer)，也能够使得一个偏振态光反射，另一个偏振态光束透射，在进行两种偏振态光束合束时，一种偏振态光束透射，例如P偏振光透过薄膜偏振片，另一种偏振态光束，例如S偏振光从薄膜偏振片输出P偏振光束的位置输入，那么薄膜偏振片会对该S偏振光全反射，这样薄膜偏振片输出端可以输出P偏振光和S偏振光合束的激光光束，这种方案的优势是激光光束合束效率高，体积小；第三种技术方案是一种特殊情况，采用布儒斯特片进行合束，在进行两种偏振态光束合束时，一种偏振态光束透射，例如P偏振光透过布儒斯特片，另一种偏振态光束，例如S偏振光从布儒斯特片输出P偏振光束的位置输入，那么薄膜偏振片会对该S偏振光部分反射，这样薄膜偏振片输出端可以输出P偏振光和S偏振光合束的激光光束，这种方案的优势是可以完成相同波长或者不同波长的激光光束进行合束。还有一种方案，是采用反射镜空间组合，使得最终的反射光束是相同方向平行传输即可，这些相同方向平行传输的激光束只要都能够进入振镜扫描平场聚焦系统(激光聚焦与焦点切换模块)就可以了，平行入射的两束平行光束经平场聚焦镜聚焦后聚焦于同一个点。这种情形请见图3，这是激光合束器有反射镜空间组合构成的一种情形。所述激光合束器5由两片反射镜构成，所述第一开窗铣削激光束11经激光合束器第一反射镜502反射获得第二开窗铣削激光束6；所述第一选择铣削激光束21经激光合束器第二反射镜503反射获得第二选择铣削激光束7；所述第二开窗铣削激光束6与第二选择铣削激光束7同向平行传输，经激光聚焦与焦点切换模块8聚焦，在待加工材料10上的对应的激光焦点中心最大间距小于10毫米。需要说明的是，理论上两个激光焦点是重合的，这里之所有给出误差范围，是因为实际应用调整时候会有误差，且这个误差不影响空间组合激光聚焦焦点的组合应用。

从激光合束器5输出的第二开窗铣削激光束6和第二选择铣削激光束7经过激光聚焦与焦点切换模块8进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制该空间组合激光聚焦焦点在待加工工件10的不同孔位之间进行切换，或者在一个孔位对激光焦点运动进行运动调制。

在本实施例中，激光聚焦与焦点切换模块10包括振镜扫描聚焦单元，振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，扫描平场聚焦镜有普通平场扫描聚焦镜和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808，远心扫描聚焦镜808的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米，镜片增透膜波长355纳米。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60微米厚度双面柔性印刷电路板，其中上下两层铜层均为15微米厚度铜，中间为25微米厚度的聚酰亚胺，聚酰亚胺层与上下铜层之间各有2微米厚度的干胶。

本实施例的光路流程如下：所述开窗铣削激光器1发射的第一开窗铣削激光束11，与所述选择铣削激光器2发射的所述第一选择铣削激光束21均入射所述激光合束器5，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束6与第二选择铣削激光束光束7，经扫描振镜第一反射镜片805得到第一反射平行光束804，所述第一反射平行光束804经扫描振镜的第二反射镜片802得到第二反射平行光束803，所述第二反射平行光束803经远心平场扫描聚焦镜808进行聚焦，得到聚焦光束9，所述聚焦光束9直接作用于待加工工件10。需要说明的是，所述第二反射平行光束803经远心平场扫描聚焦镜808进行聚焦，可以理解为一个大光束直径的光束经过远心平场扫描镜聚焦，因此这里只提到“得到聚焦光束9”。

需要说明的是，印刷电路板包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；

在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光束出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；

所述第一开窗铣削激光束11为直径是6.5毫米的扩束准直光束，其相关参数如下：激光波长355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8瓦@50千赫兹，激光脉冲宽度20纳秒，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率范围30到200千赫兹。与第二开窗铣削激光束6的对应的开窗铣削激光焦点的光斑直径为10微米，焦深10毫米。

所述第一选择铣削激光束21为直径是2毫米的激光光束，其相关参数如下：激光波长355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3瓦@30千赫兹，激光脉冲宽度50纳秒，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率范围20到100千赫兹。与所述第二选择铣削激光束7对应的选择铣削激光焦点光斑的光斑直径为45微米，焦深800微米。由上述数据可知，所述选择铣削激光聚焦焦点的光斑直径大于所述开窗铣削激光聚焦焦点的光斑直径，且前者的激光峰值功率密度远小于后者。

实施例2、

由上述实施例1可知，开窗铣削激光聚焦焦点与选择铣削激光聚焦焦点构成空间组合激光聚焦焦点(图中没有标示)，本实施例在上述实施例1的基础上，选择铣削激光聚焦焦点可以进一步设计成平顶分布激光焦点。请见图4，在选择铣削激光器2与激光合束器5之间设置光束整形器3，使得对应的选择铣削激光聚焦焦点横向场强分布为平顶光斑分布，这种设计好处在于平顶激光非常有利于高效高质量的铣削加工，使得盲孔孔底干净，清除加工效率极高。

另外，在本实施例中，还可以在开窗铣削激光器1和所述激光合束器5之间设置激光精细调制运动模块2，对第一开窗铣削激光束11进行运动调制，进而带动对应的开窗铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，在选择铣削激光器2和激光合束器5之间设置激光精细调制运动模块2，对第一选择铣削激光束21进行运动调制，进而带动对应的选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，在激光合束器5和激光聚焦与焦点切换模块8之间设置激光精细调制运动模块2，对合束后的第二开窗铣削激光束6和第二选择铣削激光束7进行运动调制，进而带动选择铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动。

其中，激光精细调制运动模块2可以为声光偏转器，也可以为电光偏转器，也可以为压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或者折射棱镜，还可以为电主轴电机驱动旋转折射棱镜，或者为前述这几种中的任意两种或两种以上空间组合。

比如，当激光精细调制运动模块2为声光偏转器时，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入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向；当激光精细调制运动模块2为电光偏转器时，电光偏转器利用电光晶体折射率随电压而改变的特性，沿垂直于电光偏转晶体生长方向施加外加电压，使电光偏转晶体沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转，则连续改变外加电压就会连续改变光束的偏转角。

当所述激光精细调制运动模块4位于所述开窗铣削激光器1和所述激光合束器5之间时，或者，当所述激光精细调制运动模块4位于所述选择铣削激光器2和所述激光合束器5之间时，所述激光精细调制运动模块4，还用于调制所述第一开窗铣削激光束11或者调制所述第一选择铣削激光束21，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度；

当所述激光精细调制运动模块4位于所述激光合束器5和所述激光聚焦与焦点切换模块8之间时，所述激光精细调制运动模块4，还用于调制所述第二开窗铣削激光束6或者第二选择铣削激光束7，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点或所述选择铣削激光聚焦焦点向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度。

这种设计的好处是，随着系统长时间使用后，由于机台的机械应力形变等原因造成空间组合激光焦点内各焦点空间位置发生变化时，所述激光精细调制运动模块可以补偿这些细微变化，确保了系统长期稳定使用。确保空间组合激光聚焦焦点的离散度在一定范围内，从而确保空间组合激光焦点对同一孔位加工的高效快捷。

当空间组合激光焦点对同一个孔位进行加工时候，如果所述开窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点没有进入孔位加工位置，则需要所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块把对应的激光焦点切换到对应孔位进行加工。最好的情况是，不经过所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块调整，所述窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点同时处于待加工孔位位置，这样最省钻孔时间。

本实施例工作流程如下：激光聚焦与焦点切换模块8中的振镜使得待加工工件10处于正确空间位置，开窗铣削激光器1出光(此时选择铣削激光器2不出光)，振镜扫描带动开窗铣削激光焦点在待加工材料10表面去除铜层1001，形成去掉铜皮盲孔1004，可以参见图2-1和图2-2，图2-1为多层材料钻孔前截面图，图2-2为多层材料开窗铣削界面图。然后选择铣削激光器2出光(此时开窗铣削激光器1不出光)，振镜扫描带动选择铣削激光焦点在待加工工件10的去掉铜皮盲孔1004孔底的底层材料1002上进行铣削运动钻孔，形成盲孔1005，且不伤底层的铜层1003，请见图2-3，图2-3为盲孔截面图。完成盲孔1005钻孔后，激光聚焦与焦点切换模块8将空间组合激光聚焦焦点切换到下一钻孔孔位。

对于本实施例而言，所述第一开窗铣削激光束11可以是红外皮秒激光，所述第一选择铣削激光束21可以是脉冲绿光激光，振镜反射镜片镀双波长反射膜，聚焦系统也采用双波长聚焦设计。

上述实施例1和实施例2的核心思想就是对于多种材料叠加的薄片板的加工，需要用对应的不同特性的激光焦点空间组合，实现了在同一个钻孔光学聚焦系统下面，设置了空间组合激光焦点，不同的材料层可以使用不同的激光焦点进行加工，特别是这种叠加空间组合材料的盲孔钻孔，在要求盲孔底部平坦无残渣，孔壁光滑，空口无毛刺和太多的热影响区，而且要求钻孔效率高，那么采用空间组合激光聚焦焦点将非常好的解决这个问题，且不同的材料加工，可以选择合适的激光光源，合适的光路设计，尽可能做到每种材料的激光加工最优化；可以应用于绝大部分多层不同材料叠加的薄片板精细激光钻孔领域，是激光钻孔领域领域的又一大突破。

实施例3、一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工方法。

参见图5，本实施例提供的方法具体包括：

S1，由开窗铣削激光器产生的第一开窗铣削激光束以及由选择铣削激光器产生的第一选择铣削激光束分别入射激光合束器；

S2，激光合束器对所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并入射激光聚焦与焦点切换模块；

S3，激光聚焦与焦点切换模块对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；

所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；

在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；

所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足铣削所述激光破坏阈值高材料。

其中，本实施例还包括：在所述选择铣削激光器与所述激光合束器之间设置光束整形器，对第一选择铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的选择铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑。

以及还包括：在所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间设置激光精细调制运动模块，对所述第一开窗铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的开窗铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

在所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间设置激光精细调制运动模块，对所述第一选择铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

在所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间设置激光精细调制运动模块，对合束后的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行运动调制，进而带动选择铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动。

当所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间时，或者，当所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间时，所述激光精细调制运动模块还对所述第一开窗铣削激光束或者调制所述第一选择铣削激光束进行调制，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度；

当所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间时，所述激光精细调制运动模块还对所述第二开窗铣削激光束或者第二选择铣削激光束进行调制，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点或所述选择铣削激光聚焦焦点向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度。

当空间组合激光焦点对同一个孔位进行加工时候，如果所述开窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点没有进入孔位加工位置，则需要所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块把对应的激光焦点切换到对应孔位进行加工。最好的情况是，不经过所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块调整，所述窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点同时处于待加工孔位位置，这样最省钻孔时间。

采用本实施例提供的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工方法的具体工作原理可参考上述实施例1和实施例2的相关技术特征，在此不再重复说明。

本发明提出的一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统及方法，其主要的发明点在于：在同一个钻孔光学聚焦系统下面，设置了空间组合激光聚焦焦点；不同种类材料叠加的多层薄片板的激光加工中，每一层材料都可以使用一种合适特性的激光聚焦焦点加工，其中，合适特性是指聚焦激光光斑大小、激光波长、脉冲能量、激光脉冲宽度、激光峰值功率密度、激光光斑场强分布(平顶或者高斯)等，甚至也包括故意事先做激光焦点离焦处理。特别是对这种复合叠加薄片板的盲孔钻孔处理中，高峰值功率密度的开窗铣削激光焦点进行大刀阔斧的开窗铣削加工，在加工到盲孔孔底最后一层时候停下，由选择铣削激光焦点进行轻松的选择性铣削这层材料，不担心它会伤孔底，因为选择铣削激光焦点的峰值功率不足以打坏盲孔完工后孔底那层激光破坏阈值高材料，节省了大量的激光加工时间，提高的稳定激光钻孔工艺区间，提高了激光盲孔钻孔质量；本发明非常巧妙的解决了多层材料叠加的电路板密集盲孔钻孔质量与效率问题。

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 (16)

1.一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，包括开窗铣削激光器、选择铣削激光器、激光合束器和激光聚焦与焦点切换模块；

所述开窗铣削激光器，用于产生第一开窗铣削激光束，并入射激光合束器；

所述选择铣削激光器，用于产生第一选择铣削激光束，并入射激光合束器；

所述激光合束器，用于对入射的所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并分别入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；

所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；

在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；

所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足以铣削所述激光破坏阈值高材料。

2.如权利要求1所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述开窗铣削激光器为短激光脉冲激光器，所述选择铣削激光器为长激光脉冲激光器。

3.如权利要求1所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，还包括光束整形器；所述光束整形器位于所述选择铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一选择铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的选择铣削激光聚焦焦点横向场强分布为平顶光斑或者准平顶光斑；或者所述光束整形器位于所述开窗铣削激光器与所述激光合束器之间，用于对第一开窗铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的开窗铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑。

4.如权利要求3所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，在所述待加工工件表面，所述选择铣削激光聚焦焦点的光斑直径大于所述开窗铣削激光聚焦焦点的光斑直径。

5.如权利要求4所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，还包括激光精细调制运动模块，所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间，用于对所述第一开窗铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的开窗铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间，用于对所述第一选择铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间，用于对合束后的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行运动调制，进而带动选择铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动。

6.如权利要求5所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔系统，其特征在于，当所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间时，或者，当所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间时，所述激光精细调制运动模块，还用于调制所述第一开窗铣削激光束或者调制所述第一选择铣削激光束，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度；

当所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间时，所述激光精细调制运动模块，还用于调制所述第二开窗铣削激光束或者第二选择铣削激光束，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点或所述选择铣削激光聚焦焦点向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度。

7.如权利要求5或6所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述激光精细调制运动模块为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或折射棱镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜或其中任意两者或多者的组合；

当所述激光精细调制运动模块为声光偏转器时，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入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向；

当所述激光精细调制运动模块为电光偏转器时，通过改变电光偏转器的驱动源的电压调节所述入射激光传输方向。

8.如权利要求7所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述激光合束器为偏振合束元件或者为至少两个反射镜的组合。

9.如权利要求8所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态聚焦单元；

所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜和扫描振镜；所述扫描平场聚焦镜用于对从所述激光合束器输出的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换，或者在一个孔位对激光焦点运动进行运动调制；

或者，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描平场聚焦镜、扫描振镜和二维运动平台；所述扫描平场聚焦镜对从所述激光合束器输出的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点；所述扫描振镜用于控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的高速切换，或者在一个孔位对激光焦点运动进行运动调制；所述二维运动平台用于承载待加工工件以及加工区域的切换或者与振镜扫描进行复合联动；

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合束器输出的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点；所述线性移动平台用于控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同加工孔位之间的切换。

10.如权利要求9所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，当空间组合激光焦点对同一个孔位进行加工时，如果所述开窗铣削激光聚焦焦点和/或选择铣削激光聚焦焦点没有进入孔位加工位置，则需要所述激光聚焦与焦点切换模块或者所述激光精细调制运动模块把对应的激光焦点切换到对应孔位进行加工。

11.如权利要求10所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，其特征在于，所述待加工工件为多层电路板基材，所述激光破坏阈值高材料为铜或者金或者银，所述激光破坏阈值低材料为聚酰亚胺、聚酯、丙烯酸粘接层或改良型环氧树脂。

12.如权利要求1或3或4或5或6所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工系统，所述开窗铣削激光器和所述选择铣削激光器可以为同一台激光器，该激光器发出激光经过光路切换光开关进行光路切换，分别产生第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束。

13.一种基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔方法，其特征在于，包括：

S1，由开窗铣削激光器产生的第一开窗铣削激光束以及由选择铣削激光器产生的第一选择铣削激光束分别入射激光合束器；

S2，激光合束器对所述第一开窗铣削激光束和第一选择铣削激光束进行合束，输出相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束，并入射激光聚焦与焦点切换模块；

S3，激光聚焦与焦点切换模块对所述相同方向平行传输的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行聚焦，获得空间组合激光聚焦焦点，并控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的不同孔位之间进行切换，或者，控制所述空间组合激光聚焦焦点在待加工工件的一个孔位处进行铣削运动；其中，所述空间组合激光聚焦焦点包括开窗铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点，当所述空间组合激光聚焦焦点处于静态时，所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度小于10毫米；

所述待加工工件为多层材料叠加而成的薄片板，其中，多层材料分为激光破坏阈值高材料和激光破坏阈值低材料；当所述空间组合激光聚焦焦点铣削所述待加工工件的盲孔时，所述待加工工件包含至少三层，激光传输最先遇到的一层材料和所述盲孔的孔底材料为激光破坏阈值高材料，加工盲孔时最后被铣削的一层材料为激光破坏阈值低材料；

在盲孔加工过程中，所述开窗铣削激光器出光，由形成的开窗铣削激光聚焦焦点，通过控制包含开窗铣削激光器激光出光时间、开窗铣削激光焦点运动速度在内的工艺条件控制激光铣削深度，对待加工工件的除了加工盲孔时最后被铣削的一层材料外的其他材料层完成铣削加工；然后所述选择铣削激光器出光，由形成的选择铣削激光聚焦焦点对待加工工件的加工盲孔时最后被铣削的一层材料完成铣削加工；

所述开窗铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度高于所述选择铣削激光聚焦焦点的激光峰值功率密度，且足以铣削所述激光破坏阈值高材料，所述选择铣削激光聚焦焦点激光峰值功率密度足以铣削所述激光破坏阈值低材料，但不足铣削所述激光破坏阈值高材料。

14.如权利要求13所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削加工方法，其特征在于，还包括：

在所述选择铣削激光器与所述激光合束器之间设置光束整形器，对第一选择铣削激光束进行光束整形，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的选择铣削激光聚焦焦点为平顶光斑或者准平顶光斑。

15.如权利要求14所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔方法，其特征在于，还包括：

在所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间设置激光精细调制运动模块，对所述第一开窗铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的开窗铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

在所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间设置激光精细调制运动模块，对所述第一选择铣削激光束进行运动调制，进而带动对应的选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动；或者，

在所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间设置激光精细调制运动模块，对合束后的第二开窗铣削激光束和第二选择铣削激光束进行运动调制，进而带动选择铣削激光聚焦焦点和选择铣削激光聚焦焦点进行铣削运动。

16.如权利要求15所述的基于空间组合激光焦点的多层材料分层铣削钻孔方法，其特征在于，当所述激光精细调制运动模块位于所述开窗铣削激光器和所述激光合束器之间时，或者，当所述激光精细调制运动模块位于所述选择铣削激光器和所述激光合束器之间时，所述激光精细调制运动模块还对所述第一开窗铣削激光束或者调制所述第一选择铣削激光束进行调制，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度；

当所述激光精细调制运动模块位于所述激光合束器和所述激光聚焦与焦点切换模块之间时，所述激光精细调制运动模块还对所述第二开窗铣削激光束或者第二选择铣削激光束进行调制，使得所述开窗铣削激光聚焦焦点或所述选择铣削激光聚焦焦点向待加工孔位中心靠拢，从而调整所述开窗铣削激光聚焦焦点的中心和所述选择铣削激光聚焦焦点的中心的离散度。