CN106994557B - 一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统及方法，所述的系统包括激光光源模块、激光光束发散角动态控制模块和激光聚焦与焦点切换模块。本发明在整个激光加工系统中引入了激光光束发散角动态控制模块，对加工激光束的发散角进行动态控制，从而改变经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光焦点在待加工工件上的空间位置，实现了高速的激光焦点离焦运动，又能够保障极高的离焦前后激光聚焦焦点中心和激光离焦焦点中心在待加工工件的位置精度，而且离焦前后没有引入额外像差，保证了离焦前后良好的聚焦效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统及方法。
背景技术
在激光钻孔领域，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，表现加减速、位移线速度以及定位速度。
但是目前电路板盲孔钻孔，无一例外都是采用一种特定参数的激光去除铜皮，然后改变平场扫描聚焦镜与电路板之间的距离从而获得激光焦点相对于电路板的激光离焦，采用离焦的大光斑去除孔底材料。
由于这种离焦方式是采用改变平场聚焦镜与电路板之间的距离获得的，在激光加工的过程中，改变平场聚焦镜和电路板之间的距离，容易带来激光加工的误差，更重要的是，通过不断改变平场聚焦镜和电路板之间的距离达到离焦的目的，如此离焦的效率太低，太耽搁时间。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的激光焦点位置动态可控的激光加工系统及方法，通过对加工激光束发散角的改变来达到调整激光聚焦的聚焦焦点在待加工工件沿光轴方向的位置，实现高速的激光焦点离焦运动。
根据本发明的一个方面,提供了一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统，包括激光光源模块、激光光束发散角动态控制模块和激光聚焦与焦点切换模块；
所述激光光源模块，用于产生加工激光束，并经过光路传输入射所述激光光束发散角动态控制模块；
所述激光光束发散角动态控制模块，用于对入射的加工激光束的发散角进行动态控制，输出发散角受控的第一激光光束，并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，用于对发散角受控的第一激光束进行聚焦，以形成聚焦光束，其中，针对发散角不同的第一激光光束，形成的聚焦光束的焦点位置不同；还用于控制所述聚焦光束的激光焦点在待加工工件的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运动控制；
所述激光光束发散角动态控制模块包括偏振分光器件、四分之一波长相位延迟器和反射光学元件；
所述加工激光束依次透射偏振分光器件、入射四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转45度或者近似45度，输出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光学元件，并被所述反射光学元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器输出的光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转90度或者近似90度，再经所述偏振分光器件反射，获得所述发散角受控的第一激光束；
或者，所述加工激光束被偏振分光器件反射后入射四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转45度或者近似45度，输出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光学元件，并被所述反射光学元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转90度或者近似90度，并透射所述偏振分光器件，获得所述发散角受控的第一激光束。
其中，通过改变所述激光光束发散角动态控制模块中的反射光学元件的反射表面曲率控制所述第一激光束的光束发散角，形成不同空间位置的聚焦光束的激光焦点，实现激光焦点相对于待加工工件的动态离焦控制。
所述四分之一波长相位延迟器输出光束的偏振态相对于所述四分之一波长相位延迟器输入光束的偏振态旋转45度或者近似45度。需要说明的是，本申请中的近似45度和近似90度，是指在45度的预设偏差范围内，比如，在-5度～+5度范围内，以及近似垂直也是指在-5度～+5度偏差均可。
本发明的有益效果为：通过对加工激光束发散角的改变来调整聚焦光束的激光焦点在光轴方向的位置，实现高速的激光焦点离焦运动。通过动态控制激光束的光束发散角，对复合材料进行加工时，如果不同层的不同材料需要不同的激光加工光斑或者不同的激光峰值功率密度时，可以通过控制聚焦光束的激光焦点在待加工工件的离焦量以控制激光束在待加工工件表面的激光光斑大小，从而实现高效、精确地对复合材料的激光加工；还可以在激光焦点位置采用高峰值激光功率密度对待加工材料进行精细加工，然后采用低峰值激光功率密度离焦大光斑对已经加工过的区域进行激光微清洗。另外，还可以动态控制平场扫描聚焦镜的激光焦点在光束传输方向上的位置，可以实现大幅面平面动态打标；结合激光光束发散角的控制来控制激光焦点在光轴方向的运动，可以实现三维立体激光扫描工作。
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，所述四分之一波长相位延迟器为四分之一波长玻片或四分之一波长反射式相位延迟圆偏振镜或四分之一波长棱镜。
其中，四分之一波长相位延迟器可以为四分之一波长波片,凡能使o光和e光产生λ/4附加光程差的波片称为四分之一波片。若以线偏振光垂直入射到四分之一波片，且其振动方向与晶片光轴夹角θ＝45°，则透射波片的光为圆偏振光；反之，圆偏振光通过四分之一波片后变为线偏振光。
其中，四分之一波长相位延迟器还可以为四分之一波长反射式相位延迟圆偏振镜,将线偏振光的偏振方向与入射平面成45度，再以45度入射角照在反射式圆偏振镜上，反射光将会转化成圆偏振光。
另外，四分之一波长相位延迟器还可以为四分之一波长棱镜。四分之一波长棱镜内激光发生全内反射，s和p偏振分量之间的相对相位会改变，菲涅尔棱镜就利用了这一原理。菲涅尔菱形棱镜延迟器作用与宽带波片一样，可以在很宽的波长范围内提供λ/4或λ/2的相位延迟，并且波长范围比双折射波片更宽。它可以替代用于宽带、多波长或可调谐激光光源中的延迟波片。菱形棱镜设计使每次内反射产生45°相位差，从而提供λ/4的相位延迟。由于相位差是随缓慢变化的菱形棱镜色散产生的，所以因不同波长引起的延迟变化要远远小于其它类型的延迟器。半波延迟器是由两个四分之一波延迟器组成的，通过控制菱镜的几何结构，就能够生产出四分之一波或半波延迟，或任何需要的波长延迟的器件。
进一步，在激光焦点动态离焦过程中，所述聚焦光束的光轴保持不变或者基本不变，不同空间位置的激光焦点位于聚焦光束光轴上。
进一步的，所述激光聚焦与焦点切换模块包括扫描振镜和平场扫描聚焦镜；
所述反射光学元件为平面反射镜时，不改变所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的正常工作距离；
当所述反射光学元件的激光反射面为凸面镜时，增加所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的负离焦位置；
当所述反射光学元件的激光反射面为凹面镜时，减小所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的正离焦位置；
其中，凸面的激光反射面或者凹面的激光反射面的入射光线轴线与对应的反射光束光轴夹角小于0.4弧度。
所述进一步的有益效果为：通过改变光学反射元件的激光反射面的曲率，来改变第一激光束的发散角，进而改变聚焦光束在待加工工件表面上的离焦量，适合对复合材料的高效激光加工。
另外，凹面或者凸面激光反射面的入射光线轴线与激光反射面的对称中心表面法线的夹角小于0.2弧度，或者说，凸面的激光反射面或者凹面的激光反射面的入射光线轴线与对应的反射光束光轴夹角小于0.4弧度，使得发散角受控的第一激光束光轴的传输方向在第一激光束发散角改变前后不会偏离太远。对于平场扫描聚焦镜而言，处于平场扫描聚焦镜焦平面的待加工工件表面激光聚焦光斑移动距离与扫描平场聚焦镜的入射光束扫描角度成正比。如果凹面或者凸面激光反射面的入射光束光轴与对应的反射光束光轴夹角为零度或者非常接近0度(可调整反射镜片的反射面形变方向获得)，那么，激光焦点离焦运动前后的平场扫描聚焦镜入射光束的入射角度保持不变或者基本保持不变，从而聚焦激光束在待加工工件表面的离焦光斑中心与聚焦激光束离焦前的聚焦激光束在待加工工件表面的激光焦点中心位置之间理论上是重合的，这样极大的提高了激光焦点离焦前后激光光斑中心在待加工工件表面的位置精度，且不会产生额外像差，保证了离焦前后良好的聚焦效果。
进一步的，扫描振镜对发散角受控的第一激光束的传输方向进行偏转补偿，使得反射光学元件的反射表面曲率变化时，平场扫描聚焦镜的入射光束的入射角度保持不变或者基本不变，从而控制聚焦激光束在待加工工件表面的离焦光斑中心与聚焦激光束离焦前聚焦光束在待加工工件表面的激光焦点中心位置之间的离散度，进而控制聚焦光束离焦后激光光斑中心在待加工工件表面的位置精度。
进一步的，所述偏振分光器件为45度偏振分光平片或布儒斯特角分光平片或者45度偏振分光棱镜或布儒斯特角分光棱镜。
进一步的，通过采用直接或间接对平面反射镜机械拉压使得平面反射镜发生圆对称形变，来实现所述反射光学元件的激光反射面曲率的改变；其中，采用电致伸缩元件驱动和/或磁致伸缩元件驱动和/或电机驱动和/或机构升降温控方式直接或间接作用于平面反射镜实现对平面反射镜机械拉压。其中，典型的电致伸缩元件为压电陶瓷驱动器。
参见图6，图6为压电陶瓷推压反射平面镜凸起示意图，光学反射元件301的直径为25.4mm，厚度为6.4mm，光学反射元件301的初始状态为平面反射镜，安装在壳体13里面，压圈11把光学反射元件301的镜片压紧，光学反射元件301的非反射面与压电陶瓷12联接，压电陶瓷12与壳体13联接。
当压电陶瓷12不伸长时，光学反射元件301为平面反射镜，当压电陶瓷12伸长时，光学反射元件301的非反射面受到压力，光学反射元件301的反射面向外凸起，形成凸面反射面。压电陶瓷12不同的伸长量，光学反射元件301反射面向外凸起程度不同，形成不同的曲率凸面反射面。
所述的间接作用，是指在驱动机构与平面反射镜之间增加一层过度物体，可以是金属，也可以是非金属，例如陶瓷，等等。
由于加工激光束是圆对称的，而希望平面反射镜发生圆对称形变，因此平面反射镜最好是圆形的，且圆形四周固定，平面反射镜中心凸起或者凹陷，平面反射镜中心凸起或者凹陷可以采用压电陶瓷对平面反射镜中心拉或者压实现，也可以采用电机驱动机械装置对平面反射镜中心拉或者压实现，也可以采用对机械装置加热温控实现机械结构的热膨胀对平面反射镜中心拉或者压实现。
所述进一步的有益效果为：平面反射镜发生圆对称形变，可以使得圆形高斯激光束不发生畸变，从而使得激光聚焦效果保持良好，避免了像差对聚焦的不利。另外，采用压电陶瓷或者高速伺服电机等方式高速控制平面反射镜片发生形变，可以获得极高的激光焦点的离焦速度，即激光聚焦焦点在光轴方向的运动速度。同时获得极高的激光离焦前后激光焦点在待加工工件表面的位置精度，即激光焦点离焦后，聚焦激光束在待加工工件表面的离焦光斑中心与聚焦激光束离焦前聚焦光束在待加工工件表面的激光焦点中心位置之间的离散度。
进一步的，将平面反射镜作为封闭容器的一个密封面或者近似密封面，通过改变密封容器内部的流体压力大小，改变密封面或近似密封面的形状，进而改变所述平面反射镜的曲率。
进一步的，将平面反射镜的激光反射面朝外粘附在封闭容器的一个表面，通过改变封闭容器内部的流体压力大小改变封闭容器的平面反射镜安装面的曲率，进而改变所述平面反射镜的曲率。
进一步的，通过将平面反射镜的非反射面负压吸附于凹面板上或凸面板上或者不吸附，实现平面反射镜的曲率的设定。
进一步的，还包括光束运动调制模块，设置于所述激光光源模块和所述激光光束发散角动态控制模块之间，或者设置于所述激光光束发散角动态控制模块与所述激光聚焦与焦点切换模块之间；
所述光束运动调制模块，用于对加工激光束或者第一激光束的运动调制，其中，所述光束运动调制模块采用声光偏转调制、电光偏转调制、电机驱动反射镜偏转调制或棱镜摆动折射偏转调制、压电陶瓷驱动反射镜偏转调制中的一种或多种方式进行加工激光束或者第一激光束的运动调制。
进一步的，所述反射光学元件的入射光束直径在2毫米到20毫米之间。
这样的好处是发散角受控的第一激光束相对于加工激光束的发散角的变化对反射光学元件的反射表面曲率的变化相对敏感。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种激光焦点位置动态可控的激光加工方法，包括：
S1，加工激光束经过光路传输入射激光发散角动态控制模块，输出发散角受控的第一激光束；
S2，所述第一激光束经过激光聚焦与焦点切换模块聚焦，形成聚焦光束，其中，针对发散角不同的第一激光光束，形成的聚焦光束的焦点位置不同；
S3，由激光聚焦与焦点切换模块控制所述聚焦光束在待加工工件的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运动控制；
其中，通过改变所述激光光束发散角动态控制模块中的反射光学元件的反射表面曲率控制所述第一激光束的光束发散角，形成不同空间位置的聚焦光束的激光焦点，实现激光焦点相对于待加工工件的动态离焦控制。
进一步，当反射光学元件为平面反射镜时，采用聚焦光束的激光焦点对待加工工件进行精细加工；当反射光学元件为凸面镜或凹面镜时，采用聚焦光束的离焦光斑对待加工工件上已经加工过的区域或轨迹进行激光微清洗。
进一步，所述待加工工件至少包括两种不同材料的加工层，其中，不同材料的加工层采用不同离焦量的聚焦激光进行加工，其中，聚焦激光的离焦量可通过反射光学元件的反射面曲率调节。
这样的好处是通过离焦量控制聚焦光束在待加工材料表面的光斑大小，从而控制该激光光斑内的激光峰值功率密度，可以适合于不同的材料加工。
本申请的工作原理如下：
平场扫描聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或者远心平场扫描聚焦镜，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，激光光束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，且与平场扫描聚焦镜的入口光束和平场扫描聚焦镜的光轴之间的夹角成正比。一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚焦镜的焦距就确定了，那么激光光束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的入口光束和平场扫描聚焦镜的光轴之间的夹角成正比。
因此，只要平场扫描聚焦镜的入口光束和平场扫描聚焦镜的光轴之间的夹角保持不变，即保障平场扫描聚焦镜的所有入口光束之间平行或者近似平行或重合或近似重合，那么形成的聚焦光束在待加工工件表面的聚焦焦点中心重合或者近似重合。对于聚焦光束光轴而言，聚焦光束光轴是一条直线，聚焦光束的聚焦焦点中心在待加工工件的位置一旦确定，改变反射光学元件表面曲率，聚焦光束的激光焦点相对于待加工工件发生光轴方向的正离焦运动或负离焦运动，那么离焦光斑中心仍然处于待加工工件表面，也当然处于聚焦光束的光轴上。因此聚焦光束的焦点中心与离焦光斑中心在待加工工件表面的位置是重合或者近似重合的，其位置就是聚集光束光轴与待加工材料表面的交点，从而实现激光焦点在聚焦光束光轴的高速运动，而聚焦光束与待加工材料表面相交的聚焦光束离焦光斑中心在待加工材料表面位置保持不变或者近似不变。
请见图3-a，平行准直的加工激光束(图中没有用图标标注)被S型偏振分光器件308反射后,获得相同平行准直的第一入射光束306，平行准直的第一入射光束306垂直或近似垂直入射四分之一波长玻片304，四分之一波长玻片304出射平行准直的第二入射光束303的偏振态相对于加工激光束或者平行准直的第一入射光束306旋转45度或近似旋转45度。平行准直的第二入射光束303垂直或者近似垂直入射反射光学元件301(此刻为平面反射镜)，并被反射光学元件301垂直或者近似垂直反射获得平行准直的第二反射光束302，平行准直的第二反射光束302再透射四分之一波长玻片304，获得平行准直的第一反射光束305，平行准直的第一反射光束305的偏振态相对于加工激光束或者第一入射光束306旋转90度或近似旋转90度，平行准直的第一反射光束305透射S型偏振分光器件308，获得光束发散角受控的第一激光束4也是平行准直的。请见图3-b，扫描振镜(图中未标示)输出平行准直的第三反射光束503，平行准直的第三反射光束503入射平场扫描聚焦镜508，平场扫描聚焦镜508输出聚焦光束509，聚焦光束509的激光焦点位于平场扫描聚焦镜508的聚焦工作平面，也就是待加工工件6的表面。
请见图4-a，光路传输顺序与图3-a相同，不同的是，反射光学元件301的激光反射面为凸面，特别是对称圆形凸面为优选，凸面对称中心点的表面法线与平行准直的第二入射光束303的光轴重合或者接近重合，平行准直的第二入射光束303经凸面反射面的反射光学元件301反射获得发散的第二反射光束302，发散的第二反射光束302的光轴与平行准直的第二入射光束303的光轴重合或者接近重合，或者平行或者接近平行，发散的第二反射光束302再透射四分之一波长玻片304，获得发散的第一反射光束305，发散的第一反射光束305的激光偏振态相对于加工激光束或者第一入射光束306旋转90度或近似旋转90度，发散的第一反射光束305透射偏振分光器件308，获得发散角受控的第一激光束4也是发散的。请见图4-b，扫描振镜(图中未标示)输出发散的第三反射光束503，发散的第三反射光束503入射平场扫描聚焦镜508，平场扫描聚焦镜508输出聚焦光束509，聚焦光束509的激光焦点位于平场扫描聚焦镜508的聚焦工作平面6的下面位置7。
请见图5-a，光路传输顺序与图3-a相同，不同的是，反射光学元件301的反射面为凹面，特别是对称圆形凹面为优选，凹面对称中心点的表面法线与平行准直的第二入射光束303的光轴重合或者接近重合，平行准直的第二入射光束303经凹面反射面的反射光学元件301反射获得汇聚的第二反射光束302，汇聚的第二反射光束302的光轴与第二入射光束303的光轴重合或者接近重合，或者平行或者接近平行，汇聚的第二反射光束302再透射四分之一波长玻片304，获得汇聚的第一反射光束305，汇聚的第一反射光束305的激光偏振态相对于加工激光束或者第一入射光束306旋转90度或近似旋转90度，汇聚的第一反射光束305透射S型偏振分光器件308，获得发散角受控的第一激光束4也是汇聚的。请见图5-b，扫描振镜(图中未标示)输出汇聚的第三反射光束503，汇聚的第三反射光束503入射平场扫描聚焦镜508，平场扫描聚焦镜508输出聚焦光束509，聚焦光束509的激光焦点位于平场扫描聚焦镜508的聚焦工作平面6的上面位置8。
这样，本申请利用了扫描平场聚焦镜特殊的聚焦规律，利用了四分之一波长相位延长器(特别是四分之一波长玻片)、偏振分光器件以及平面镜表面面型的变化，实现了高速动态离焦，且保持聚焦光束与待加工工件表面交点中心在待加工工件表面位置不变，非常适合于对待加工工件同一个细微局部先后采用不同的光斑大小加工，例如PCB板盲孔加工，激光切割后立即进行激光清洗等应用。
本申请原理也可以用另一种结构，请见图1，平行准直的加工激光束2相对P型偏振分光器件307以45度角度入射后,获得相同平行准直的第一入射光束306，平行准直的第一入射光束306垂直或近似垂直入射四分之一波长玻片304，四分之一波长玻片304出射平行准直的第二入射光束303的偏振态相对于加工激光束或者平行准直的第一入射光束306旋转45度或者近似旋转45度，平行准直的第二入射光束303垂直或者近似垂直入射反射光学元件301(此刻为平面反射镜)，并被反射光学元件301垂直或者近似垂直反射获得平行准直的第二反射光束302，平行准直的第二反射光束302再透射四分之一波长玻片304，获得平行准直的第一反射光束305，平行准直的第一反射光束305的激光偏振态相对于加工激光束或者光束306旋转90度或者近似旋转90度，平行准直的第一反射光束305被P型偏振分光器件307反射，获得发散角受控的第一激光束4也是平行准直的。如果反射光学元件301反射面变为凸面，那么发散角受控的第一激光束4的发散角相对加工激光束2增加；如果反射光学元件301反射面变为凹面，那么发散角受控的第一激光束4的发散角相对加工激光束2减少。
对于柔性电路板盲孔钻孔，盲孔大小一般为30～100微米直径，可以先用激光聚焦焦点对柔性电路板进行除铜皮处理(30～100微米直径范围内)。然后利用本申请的激光加工系统可以快速对激光焦点进行正离焦或者负离焦处理，但是位于柔性电路板的聚焦光束的离焦光斑仍处于前面已经去除铜皮的位置，这样离焦光斑可以继续对已经去除铜皮的盲孔进行去除电路绝缘层的工作。总之，本申请在保持了待加工工件表面激光光斑中心的位置精度前提下，可以高速进行激光离焦动作，聚集光束在待加工工件表面光斑中心位置精度保持不变或者基本不变，并保持了良好的激光聚焦特性。
附图说明
图1为本发明一个实施例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为本发明另一个实施例的的一种三维激光超精细标刻系统；
图3-a为平面反射镜的激光反射面为平面时的光路示意图；
图3-b为平面反射镜的激光反射面为平面时的激光焦点位置示意图；
图4-a为平面反射镜的激光反射面为凸面时的光路示意图；
图4-b为平面反射镜的激光反射面为凸面时的激光焦点位置示意图；
图5-a为平面反射镜的激光反射面为凹面时的光路示意图；
图5-b为平面反射镜的激光反射面为凹面时的激光焦点位置示意图；
图6为压电陶瓷推压反射平面镜凸起示意图。
附图中，各标号所代表的部件名称如下：
1、激光光源模块，101、激光源，2、加工激光束，3、激光光束发散角动态控制模块，301、反射光学元件，302、第二反射光束，303、第二入射光束，304、四分之一波长玻片，305、第一反射光束，306、第一入射光束，307、P型偏振分光器件，308、S型偏振分光器件，4、发散角受控的第一激光束，5、激光聚焦与焦点切换模块，501、第二电机的电机主轴，502、第二反射镜片，503、第四反射光束，504、第三反射光束，505、第一反射镜片，506、第一电机507的电机主轴，507、第一电机，508、远心扫描平场聚焦镜，509、聚焦光束，6、待加工工件，11、压圈，12、压电陶瓷，13、壳体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
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激光光源模块1、激光光束发散角动态控制模块3和激光聚焦与焦点切换模块5。
激光光源模块1包括激光源101，以及一些光路传输变换器件(图中没有标示)，例如扩束，反射，折射等器件。
激光光束发散角动态控制模块3包括反射光学元件301、四分之一波长玻片304、P偏振分光器件307或S偏振分光器件308。反射光学元件301的激光反射面垂直于光路设置，反射面为平面时比较好理解，反射面为凹面或者凸面是，其反射区域中心的局部表面垂直于光路。四分之一波长玻片304一般垂直于光路设置，P偏振分光器件307或S偏振分光器件308按照其设计角度设置，例如45度偏振分光器件，其偏振面与光路成45度角度设置。
激光聚焦与焦点切换模块5为振镜扫描平场聚焦单元，振镜扫描平场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508，远心平场扫描聚焦镜508的焦距为100毫米，平场聚焦范围40毫米×40毫米。扫描振镜包括第一反射镜片505和第二反射镜片502。
扫描振镜的第一反射镜片505安装在扫描振镜的第一电机507的电机主轴506上，扫描振镜的第二反射镜片502安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴501上。
待加工工件6为62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+2微米环氧树脂胶+22微米聚酰亚胺树脂+2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：
激光光源模块1输出平行准直的加工激光束2，平行准直的加工激光束2相对P型偏振分光器件307以45度角度入射后,获得相同平行准直的第一入射光束306，平行准直的第一入射光束306垂直或近似垂直入射四分之一波长玻片304，四分之一波长玻片304出射的平行准直的第二入射光束303的偏振态相对于加工激光束或者平行准直光束306旋转45度，平行准直的第二入射光束303垂直或者近似垂直入射反射光学元件301(此刻为平面反射镜)，并被反射光学元件301垂直或者近似垂直反射获得平行准直的第二反射光束302，平行准直的第二反射光束302再透射四分之一波长玻片304，获得平行准直的第一反射光束305，平行准直的第一反射光束305的激光偏振态相对于加工激光束或者第一入射光束306旋转90度，平行准直的第一反射光束305被P型偏振分光器件307反射，获得发散角受控的第一激光束4也是平行准直的。发散角受控的第一激光束4经扫描振镜第一反射镜片505得到第三反射光束504，第三反射光束504经扫描振镜的第二反射镜片502得到第四反射光束503，第四反射光束503经远心平场扫描聚焦镜508进行聚焦，得到聚焦光束509，聚焦光束509直接作用于待加工工件6，此时待加工工件6处于平场扫描镜的焦平面上。
如果反射光学元件301的激光反射面变为凸面，那么发散角受控的第一激光束4的发散角相对加工激光束2增加，聚焦光束509的激光焦点将处于待加工工件6的表面以下，此时落在待加工工件6表面的为离焦焦点，这种情况下的激光焦点相对于待加工工件6表面为负离焦，其光斑大小遵从高斯光束聚焦规律。如果反射光学元件301反射面变为凹面，那么发散角受控的第一激光束4的发散角相对加工激光束2减少，聚焦光束509的激光焦点将处于待加工工件6的表面以上，此时落在待加工工件6表面的为离焦焦点，在这种情况下，激光焦点相对于待加工工件6表面为正离焦，其光斑大小遵从高斯光束聚焦规律。
其中，加工激光束2是直径为7毫米的入射扩束准直光束。
聚焦光束509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12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。
扫描振镜的两片反射镜片即第一反射镜片505与第二反射镜片502相配合，使得聚焦光束509在待加工工件6表面进行运动钻孔。在钻盲孔时，至少分为两步，第一步，去除铜皮，第二步，去除铜皮下面的绝缘层，露出底铜，形成盲孔。在去除铜皮时，激光光束发散角动态控制模块3的反射光学元件301的反射面设置为平面，发散角受控的第一激光束4为准直光束，聚焦光束509的激光焦点刚好落在待加工工件6表面的铜皮上，聚焦光束509的聚焦焦点在所需加工盲孔直径范围内做同心圆运动或者螺旋线运动，高效去除铜皮。在进行钻盲孔第二步时，激光关光，激光光束发散角动态控制模块3的反射光学元件301的反射面为凸面或者凹面，然后激光开光，发散角受控的第一激光束4为发散光束或者汇聚光束，聚焦光束509的激光焦点位置离开待加工工件表面6的铜皮上，形成负离焦或者正离焦，这样落在盲孔内的激光光斑就是直径较大的离焦光斑，扫描振镜驱动聚焦光束509的离焦光斑在待加工工件6的盲孔内运动，可以高效去除孔底绝缘材料，且不伤底铜。
原则上在一个扫描幅面内，激光光束发散角动态控制模块3的反射光学元件301的反射面设置为平面，扫描振镜驱动聚焦光束509的聚焦光斑可以先依次把所有盲孔铜皮去除掉。然后激光光束发散角动态控制模块3的反射光学元件301的反射面设置为曲面，扫描振镜驱动聚焦光束509的离焦光斑再依次把所有盲孔孔底绝缘材料去除掉。
当然，在激光加工系统中还可以包括光束运动调制模块，可设置于激光光源模块1和激光光束发散角动态控制模块3之间，或者设置于激光光束发散角动态控制模块3与激光聚焦与焦点切换模块5之间。光束运动调制模块，用于对加工激光束或者第一激光束的运动调制，即对加工激光束或者第一激光束的运动轨迹的调制。其中，光束运动调制模块采用声光调制、电光调制、电机驱动反射镜或棱镜摆动调制、压电陶瓷驱动反射镜调制中的一种或多种方式进行加工激光束或者第一激光束的运动调制。此时扫描振镜只负责孔位切换，光束运动调制模块负责激光的聚集光斑与激光离焦光斑在盲孔内的运动。
本实施例采用了平场扫描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，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，且与平场扫描聚焦镜的入口光束和平场扫描聚焦镜的光轴之间的夹角或者夹角的变化值成正比。一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚焦镜的焦距就确定了，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的入口光束和平场扫描聚焦镜的光轴之间的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扫描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扫描聚焦镜焦平面上同一个点。因此，激光光束发散角动态控制模块对光束发散角度的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，在改变光束发散角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。
远心平场扫描聚焦镜的加工范围毕竟还是有限，如果加工幅面还不够大，实际上还可以把待加工工件6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。
本实施例非常适合于电路板激光盲孔钻孔，因为电路板一般具备多种不同性质的材料构成的多层结构，每一层材料的加工需要不同的激光参数，特别是不同的激光光斑大小与激光峰值功率密度。例如去除盲孔铜皮时需要小光斑与高峰值功率，去除盲孔孔底的绝缘材料时候需要大光斑与低峰值功率密度。前者通过激光聚焦实现，后者通过激光离焦实现，但是由于电路板盲孔钻孔需要高速度高精度，因而本实施例这种加工方式的好处是，既能够实现高速的激光焦点离焦运动，又能够保障极高的离焦前后激光聚焦焦点中心和激光离焦焦点中心在待加工工件的位置精度，而且离焦前后没有引入额外像差，保证了离焦前后良好的聚焦效果。
实施例2：
图2为本发明实施例2的一种三维激光超精细标刻系统，除了激光光束发散角动态控制模块3与图1有区别，其它相同。
图2中的待加工工件6为厚度100微米的不锈钢薄片。本实施例光路流程与实施例1类似，请参考上述事实1。
本实施例中激光光束发散角动态控制模块3的反射光学元件301为圆形平面反射镜，四周固定在一个平面上，非反射面中心与压电陶瓷位移驱动器顶杆联接，柱形压电促动器不对反射光学元件301施加力量时，301为平面反射镜。柱形压电促动器不对301施加压力时，301为反射面为凸面反射镜，凸出程度与柱形压电促进器的行程有关。值得注意的是，如果设计合理，聚焦激光束509的激光焦点离焦频率可以做到20～40KHz，这是有史以来最快的激光焦点离焦速度。
压电陶瓷促动器是以压电陶瓷为基础元件，通过外部机械结构进行封装，并输出位移及出力。采用哈尔滨芯明天公司VS10的柱形压电促动器，其参数如下表1：
表1
标称行程是在0～150V的驱动电压下的位移行程，对于高可靠的长期使用，建议驱动电压在0～120V，选择闭环控制，线性度、重复定位精度高。
为了防止反射光学元件301非反射面被压电陶瓷促动器顶杆压伤或者磨损，可以把反射光学元件301安装在弹性薄片上，压电陶瓷促动器顶杆对薄片进行推压。或者，由于陶瓷块比较硬且耐磨，反射光学元件301非反射面安装一个陶瓷块，压电陶瓷促动器顶杆对薄片进行推压。
这种加工方式的好处是，采用压电陶瓷获得有史以来最快的激光焦点离焦速度。请见图4-c，如果第二反射光束302和第二入射光束303的光束发散角差异为1毫弧度，那么第二反射光束302和第二入射光束303对应的激光焦点位置相差2毫米左右，如果第二反射光束302的激光焦点处于待加工工件6表面，那么第二入射光束303的激光焦点处于待加工工件表面上面或者下面2毫米左右的位置。反射光学元件301的反射面凸起非常小即可达到激光焦点离焦的目的，因此本实施例方案可以实现非常快的离焦速度。
本实施例如果用于电路板盲孔钻孔，此时待加工工件两面有铜箔，中间有绝缘层，聚焦激光束可以对待加工工件表面铜箔进行螺旋线或者同心圆方式去除铜箔，然后激光关光1毫秒左右，激光光束发散角动态控制模块控制激光焦点离焦，此时激光开光。此时聚焦激光束的离焦光斑对待加工工件上面已经去除了铜皮的盲孔区域进行运动并清除孔底绝缘材料。这时激光聚焦与焦点切换模块控制激光束偏转到下一待加工孔位位置，准备下一个孔位的钻孔加工。
本实施例如果用于薄膜材料的切割，聚焦激光束在聚焦位置可以对待加工工件表面进行精细微加工，然后激光关光，激光光束发散角动态控制模块控制激光焦点离焦，此时激光开光，聚焦激光束的离焦光斑对待加工工件上面激光微加工过的区域或者轨迹进行大光斑快速扫描但不破坏待加工材料基底，实现激光清洗。
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。
实施例3、一种激光焦点位置动态可控的激光加工方法。
本实施例提供的激光加工方法包括以下步骤：
S1，加工激光束经过光路传输入射激光发散角动态控制模块，输出发散角受控的第一激光束；
S2，所述第一激光束经过激光聚焦与焦点切换模块聚焦，形成聚焦光束，其中，针对发散角不同的第一激光光束，形成的聚焦光束的焦点位置不同；
S3，由激光聚焦与焦点切换模块控制所述聚焦光束在待加工工件的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运动控制；
其中，通过改变激光光束发散角动态控制模块内的反射光学元件的反射表面曲率控制所述第一激光束的发散角，从而改变经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光焦点在沿光轴方向或者聚焦光束传输方向与待加工工件的相对位置，实现激光焦点的动态离焦控制。
本实施例提供的激光加工方法的工作原理可参见上述实施例1和上述实施例2，可以应用于激光微加工与激光微清洗的复合激光加工，在激光焦点位置对待加工材料进行精细加工，然后采用离焦大光斑对已经加工过的区域或轨迹进行激光微清洗。本实施例也可以应用于多层叠加复合材料的加工，其中的待加工工件由至少两种不同材料的加工层组成的，不同层加工层可以采用不同离焦量的聚焦激光进行加工，采用本实施例方案可以达到最快的离焦速度,在应用于软板钻孔时，离焦距离大概2mm左右时，其离焦速度可达100微秒量级。
对于高速激光三维加工，扫描振镜负责二维平面扫描加工，激光光束发散角动态控制模块动态控制激光焦点沿着聚焦光束光轴运动，这样，可以实现激光焦点在待加工曲面上进行高速激光加工，这就是高速激光三维加工。
对于大幅面激光平面加工，平场扫描聚焦镜幅面有限，在平场扫描聚焦镜正常聚焦区域幅面以外，聚焦激光束的激光焦点对于扫描聚焦平面是离焦的，即在这个区域激光焦点不在聚焦平面上，激光光束发散角动态控制模块动态控制激光焦点沿着聚焦光束光轴运动，使得平场扫描聚焦镜正常扫描区域以外的区域的激光焦点也到达扫描聚焦平面，扫描振镜负责二维平面扫描加工，这样就实现了大幅面的激光平面扫描加工。
总之，本发明提出的一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统与方法，引入激光光束发散角动态控制模块，对于电路板激光盲孔钻孔，对于高速激光三维加工，对于大幅面激光平面加工，本发明既能够实现高速的激光焦点离焦运动，又能够保障极高的离焦前后激光聚焦焦点中心和激光离焦焦点中心在待加工工件的位置精度，而且离焦前后没有引入额外像差，保证了离焦前后良好的聚焦效果。
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 (14)
1.一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，包括激光光源模块、激光光束发散角动态控制模块和激光聚焦与焦点切换模块；
所述激光光源模块，用于产生加工激光束，并经过光路传输入射所述激光光束发散角动态控制模块；
所述激光光束发散角动态控制模块，用于对入射的加工激光束的发散角进行动态控制，输出发散角受控的第一激光光束，并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，用于对发散角受控的第一激光束进行聚焦，以形成聚焦光束，其中，针对发散角不同的第一激光光束，形成的聚焦光束的焦点位置不同；还用于控制所述聚焦光束的激光焦点在待加工工件的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运动控制；
所述激光光束发散角动态控制模块包括偏振分光器件、四分之一波长相位延迟器和反射光学元件；
所述加工激光束依次透射偏振分光器件、入射四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转45度或者近似45度，输出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光学元件，并被所述反射光学元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器输出的光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转90度或者近似90度，再经所述偏振分光器件反射，获得所述发散角受控的第一激光束；
或者，所述加工激光束被偏振分光器件反射后入射四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转45度或者近似45度，输出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光学元件，并被所述反射光学元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转90度或者近似90度，并透射所述偏振分光器件，获得所述发散角受控的第一激光束；
其中，通过改变所述激光光束发散角动态控制模块中的反射光学元件的反射表面曲率控制所述第一激光束的光束发散角，形成不同空间位置的聚焦光束的激光焦点，实现激光焦点相对于待加工工件的动态离焦控制。
2.如权利要求1所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，所述四分之一波长相位延迟器为四分之一波长玻片或四分之一波长反射式相位延迟圆偏振镜或四分之一波长棱镜。
3.如权利要求1所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，在激光焦点动态离焦过程中，所述聚焦光束的光轴保持不变或者基本不变，不同空间位置的激光焦点位于聚焦光束的光轴上。
4.如权利要求1所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，所述激光聚焦与焦点切换模块包括扫描振镜和平场扫描聚焦镜；
所述反射光学元件为平面反射镜时，不改变所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的正常工作距离；
当所述反射光学元件的激光反射面为凸面镜时，增加所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的负离焦位置；
当所述反射光学元件的激光反射面为凹面镜时，减小所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的正离焦位置；
其中，凸面的激光反射面或者凹面的激光反射面的入射光线轴线与对应的反射光束光轴夹角小于0.4弧度。
5.如权利要求4所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，所述扫描振镜对发散角受控的第一激光束的传输方向进行偏转补偿，使得所述反射光学元件的反射表面曲率变化时，所述平场扫描聚焦镜的入射光束的入射角度保持不变或者基本不变，从而控制聚焦光束在待加工工件表面的离焦光斑中心与聚焦光束离焦前聚焦光束在待加工工件表面的激光焦点中心位置之间的离散度，进而控制聚焦光束离焦后激光光斑中心在待加工工件表面的位置精度。
6.如权利要求1所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，所述偏振分光器件为45度偏振分光平片或布儒斯特角分光平片或者45度偏振分光棱镜或布儒斯特角分光棱镜。
7.如权利要求5所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，通过采用直接或间接对平面反射镜机械拉压的方式使得平面反射镜发生圆对称形变，来实现所述反射光学元件的激光反射面曲率的改变；其中，采用电致伸缩元件驱动和/或磁致伸缩元件驱动和/或电机驱动和/或机构升降温控方式直接或间接作用于平面反射镜实现对平面反射镜机械拉压。
8.如权利要求5所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，将平面反射镜作为封闭容器的一个密封面或者近似密封面，通过改变密封容器内部的流体压力大小，来改变所述密封面或近似密封面的形状，进而改变所述平面反射镜的曲率。
9.如权利要求5所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，将平面反射镜的激光反射面朝外粘附在封闭容器的一个表面，通过改变封闭容器内部的流体压力大小改变封闭容器的平面反射镜安装面的曲率，进而改变所述平面反射镜的曲率。
10.如权利要求5所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，通过将平面反射镜的非反射面采用负压吸附于凹面板上或凸面板上或者不吸附的方式，实现平面反射镜的曲率的设定。
11.如权利要求1-10任一项所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，还包括光束运动调制模块，设置于所述激光光源模块和所述激光光束发散角动态控制模块之间，或者设置于所述激光光束发散角动态控制模块与所述激光聚焦与焦点切换模块之间；
所述光束运动调制模块，用于对加工激光束或者第一激光束的运动调制，其中，所述光束运动调制模块采用声光偏转调制、电光偏转调制、电机驱动反射镜偏转调制或棱镜摆动折射偏转调制、压电陶瓷驱动反射镜偏转调制中的一种或多种方式进行加工激光束或者第一激光束的运动调制。
12.一种激光焦点位置动态可控的激光加工方法，其特征在于，包括：
S1，加工激光束经过光路传输入射激光发散角动态控制模块，输出发散角受控的第一激光束；
S2，所述第一激光束经过激光聚焦与焦点切换模块聚焦，形成聚焦光束，其中，针对发散角不同的第一激光光束，形成的聚焦光束的焦点位置不同；
S3，由激光聚焦与焦点切换模块控制所述聚焦光束在待加工工件的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运动控制；
其中，通过改变所述激光光束发散角动态控制模块中的反射光学元件的反射表面曲率控制所述第一激光束的光束发散角，形成不同空间位置的聚焦光束的激光焦点，实现激光焦点相对于待加工工件的动态离焦控制。
13.如权利要求12所述的一种激光焦点位置动态可控的激光加工方法,其特征在于，当反射光学元件为平面反射镜时，采用聚焦光束的激光焦点对待加工工件进行精细加工；当反射光学元件为凸面镜或凹面镜时，采用聚焦光束的离焦光斑对待加工工件上已经加工过的区域或轨迹进行激光微清洗。
14.如权利要求13所述的一种激光焦点位置动态可控的激光加工方法,其特征在于，所述待加工工件至少包括两种不同材料的加工层，其中，不同材料的加工层采用不同离焦量的聚焦激光进行加工，其中，聚焦光束的离焦量可由反射光学元件的反射面曲率调节。
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