CN110919174A - 旋转光路光束装置及旋转光路光束系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转光路光束装置及旋转光路光束系统，包括：沿光轴依次分布的波片旋转机构、二维扫描机构、第一调节镜组、第二调节镜组、反射镜和聚焦镜组；波片旋转机构用于将入射的激光光束通过高速旋转形成各个方向一致的偏振态，保持激光光束的偏振态为径向分布；二维扫描机构用于对激光光束X‑Y平面进行扫描，形成加工所需的绕光轴旋转的环；第一调节镜组、第二调节镜组、反射镜和聚焦镜组用于控制环的大小和光束的角度。本发明可以减少打孔过程中激光偏振态的影响，保证加工孔的圆度。

Description

旋转光路光束装置及旋转光路光束系统

技术领域

本发明涉及激光精密深孔加工技术领域，尤其是涉及一种旋转光路光束装置及旋转光路光束系统。

背景技术

随着工业以及科学技术的发展，微孔加工目前有三种方法：机械打孔、电火花打孔、激光打孔，其中机械方法加工效率低，孔壁粗糙，对打孔形状不能保证，对一些脆性材料和软材料加工结果并不理想，对一些精密微孔更是无法加工。电火花打是用瞬间高能量的电流将材料烧穿，孔的直径是由电流的强度决定的，因此不能很好的控制孔侧壁和孔的形状，容易形成重熔层，从而导致断面粗糙度差。

激光打孔是一种非接触式的打孔方式，与传统打孔方式相比优势更突出，适用性也更广泛，目前激光打孔方式包括冲击打孔法以及旋转打孔。冲击打孔的方式对激光器的光束质量要求特别高，重复稳定性较差；旋转打孔对于孔的形状不能保证。上述两种打孔方式同时存在另一个问题，即棱镜在光的角度加大时会影响激光的偏振态，而且激光的偏振态的变化又会影响实际加工的孔的形状，使得打孔过程中不能自由控制孔的圆度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种旋转光路光束装置及旋转光路光束系统，以减少了打孔过程中激光偏振态的影响，保证了加工孔的圆度。

第一方面，本发明实施例提供了一种旋转光路光束装置，包括：沿光轴依次分布的波片旋转机构、二维扫描机构、第一调节镜组、第二调节镜组、反射镜和聚焦镜组；波片旋转机构用于将入射的激光光束通过高速旋转形成各个方向一致的偏振态，保持激光光束的偏振态为径向分布；二维扫描机构用于对激光光束X-Y平面进行扫描，形成加工所需的绕光轴旋转的环；第一调节镜组、第二调节镜组、反射镜和聚焦镜组用于控制环的大小和光束的角度。

在一种实施方式中，波片旋转机构包括波片和旋转电机；其中，旋转电机控制波片以光轴为旋转轴高速旋转。

在一种实施方式中，第一调节镜组和第二调节镜组的位置是不固定的。

在一种实施方式中，第一调节镜组包括至少两个聚焦组件，每个聚焦组件包括至少一片聚焦镜片，聚焦组件之间的间距是不固定的；第二调节镜组包括至少两个聚焦组件，每个聚焦组件包括至少一片聚焦镜片，聚焦组件之间的间距是不固定的；第一调节镜组的聚焦组件和第二调节镜组的聚焦组件同时移动，用于调节环的大小。

在一种实施方式中，第一调节镜组和第二调节镜组的焦距比例范围为0.5-2。

在一种实施方式中，反射镜还用于将光轴旋转90°。

在一种实施方式中，聚焦镜组包括至少三个镜片，用于调节激光光束的角度。

在一种实施方式中，旋转光路光束装置还包括：穿孔检测单元，用于实时检测孔是否打通。

在一种实施方式中，旋转光路光束装置还包括：位置检测单元，用于实时检测激光光束的位置。

第二方面，本发明实施例提供了一种旋转光路光束系统，系统包括第一方面任一实施方式所述的旋转光路光束装置，还包括激光器和远程终端，远程终端包括协同控制卡；远程终端用于向协同控制卡发送信号；协同控制卡用于将接收到的信号发送至激光器和旋转光路光束装置的波片旋转机构和二维扫描机构，并接收激光器、波片旋转机构和二维扫描机构发送的反馈信号，以使激光加工路径与偏振态的径向保持同步。

本发明实施例提供了一种旋转光路光束装置及旋转光路光束系统，能够使得入射到波片旋转机构的激光光束经过高速旋转后形成各个方向一致的偏振态，并保持激光光束的偏振态为径向分布，之后通过二维扫描机构对激光光束X-Y平面进行扫描，形成加工所需的绕光轴旋转的环。上述旋转光路光束装置能够通过波片旋转机构的高速旋转，使得激光光束的偏振态保持一直是径向的，形成各个方向一致的偏振态，并且通过波片旋转机构与二维扫面机构的不断调整使得激光光束的偏振态与激光加工路径是同步的，从而减少打孔过程中激光偏振态的影响，自由控制孔的圆度，进而保证加工孔的圆度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种旋转光路光束装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种不同偏振光光线旋转示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种旋转光路光束装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种具体的旋转光路光束装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种角度α满足0°＜α＜90°时的光线图；

图6本发明实施例提供的一种角度α满足α＝0°时的光线图；

图7本发明实施例提供的一种角度α满足α＞90°时的光线图；

图8本发明实施例提供的一种旋转光路光束系统的结构示意图。

图标：

10-波片旋转机构；20-二维扫描机构；30-第一调节镜组；40-第二调节镜组；50-反射镜；60-聚焦镜组；70-穿孔检测单元；80-位置检测单元；100-旋转光路光束装置；101-波片；200-激光器；300-远程终端；400-协同控制卡；301-第一聚焦组件；302-第二聚焦组件；401-第三聚焦组件；402-第四聚焦组件；601-第一镜片；602-第二镜片；603-第三镜片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

激光打孔是一种非接触式的打孔方式，与传统打孔方式相比优势更突出，适用性也更广泛，目前，激光打孔方式包括冲击打孔以及旋转打孔。冲击打孔的方式对激光器的光束质量要求特别高，重复稳定性差，为了降低激光器光束质量的影响采用在光路的某个位置加入光阑的方式，来得到预期想要得到的激光束的轮廓，从而可以强化光的利用率，但是需要非常繁琐的计算，对于微小孔的加工不能保证。

旋转打孔也叫做迂回轮廓法，常用的加工方法包括旋转棱镜法、离轴旋转透镜法和旋转棱镜法。目前常用的方法由旋转道威棱镜以及消差光学组件构成，激光束通过安装于高速空心轴电机中的道威棱镜绕光轴旋转，出射的激光束相对于工件表面以圆形路径运动。但是如果出射激光束与光轴有一定偏移，则在工件上形成带有一定锥度的微孔，因此需要通过专门开发的控制软件，运用函数表达式经过复杂的计算来实现，对于复杂的图形是很难找到规律或者运用函数表达式来实现，孔的形状将不能保证，速度慢，加工效率不高。另外，有人提出了利用两个光楔加旋转聚焦镜的方式，这种方式存在问题是调节两个光楔的角度的时候，聚焦镜的尺寸同时需要变化，而且光楔本身的制造误差将会产生非常大的影响，所以需要保证聚焦镜是倾斜的，但是难度很大，同时调节两个光楔的角度需要额外的传动装置，笨重又不实用，还会增加额外的成本。

此外，以上两种激光加工方法同时存在另外一个问题：棱镜在光的角度加大的时候对偏振态的影响非常大，而且激光的偏振态的变化会直接影响材料对光的吸收率，材料不同位置对光的吸收率不同会影响实际加工的孔的形状，包括圆度以及进光口和出光口的尺寸。对于偏振态，如果入射的激光光束是线偏振，那么加工得到的将是椭圆孔。因此有人提出在静态的模式下放入波片，将线偏振光转为圆偏振光，此时由于器件的限制将得不到一个正圆的偏振态，所以加工出的孔仍然是椭圆的，仅比线偏振下打出来的孔的圆度提高一点；还有利用旋转的线偏振光，此时受到旋转速度、器件质量等的因素的影响，虽然可以进一步的提高孔的圆度，但是还是不能自由控制孔的圆度。

基于此，本发明实施例提供的一种旋转光路光束装置及旋转光路光束系统，可以减少打孔过程中激光偏振态的影响，保证加工孔的圆度。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种旋转光路光束装置进行详细介绍，参见图1所示的一种旋转光路光束装置的结构示意图，示意出旋转光路光束装置包括：沿光轴依次分布的波片旋转机构10、二维扫描机构20、第一调节镜组30、第二调节镜组40、反射镜50和聚焦镜组60。

波片旋转机构10用于将入射的激光光束通过高速旋转形成各个方向一致的偏振态，保持激光光束的偏振态为径向分布。具体应用中，波片旋转机构10包括：波片和旋转电机，旋转电机控制波片以光轴为旋转轴高速旋转，将激光器的偏振态保持一直是径向的，使得通过波片的激光光束形成各个方向一致的偏振态，并且使得偏振态与激光加工路径是同步的，从而解决打孔过程中的偏振态的影响，进而可以控制孔的圆度。

二维扫描机构20用于对激光光束X-Y平面进行扫描，形成加工所需的绕光轴旋转的环。

第一调节镜组30、第二调节镜组40、反射镜50和聚焦镜组60，用于控制环的大小和光束的角度。

具体的，第一调节镜组30和第二调节镜组40之间是可以相对移动的，通过调节两者之间的间距可以控制环的大小，而第一调节镜组和第二调节镜组的焦距比例范围可以为0.5-2。举例说明：当同一个环的激光光束需要打不同方向不同角度的孔时，可以通过调节第一调节镜组30和第二调节镜组40之间的间距来控制最终激光光束形成环的大小。

进一步，第一调节镜组30包括至少两个聚焦组件，每个聚焦组件包括至少一片聚焦镜片，聚焦组件之间的间距是不固定的。第二调节镜组40包括至少两个聚焦组件，每个聚焦组件包括至少一片聚焦镜片，聚焦组件之间的间距是不固定的。在一种具体应用中，第一调节镜组30的聚焦组件和第二调节镜组40的聚焦组件可以同时移动，用于调节环的大小，也就是确定当前可以使用的配置下的最大的加工孔径以及最小加工孔径的大小。

进一步，反射镜50可以用于将光轴旋转90°，从而进一步调整激光光束的角度，以保证形成所需要的不同角度不同直径的环的光束。此外，由于第二调节镜组40的位置是可以移动的，从而使得第二调节镜组40与反射镜50之间的间距也是不固定的，即随着第二调节镜组40位置的变化而变化。

在一种具体应用中，聚焦镜组60可以包括至少三个镜片，激光光束依次经过三个镜片，经过镜片调节以得到满足不同加工孔径需求的激光光束的角度。为了增加该装置的同轴监测功能，反射镜50和聚焦镜组60之间的间距可以是固定，具体数值可以根据实际情况进行设定，在此不做限定。

本发明实施例提供的上述旋转光路光束装置，能够使得入射到波片旋转机构的激光光束经过高速旋转后形成各个方向一致的偏振态，并保持激光光束的偏振态为径向分布，之后通过二维扫描机构对激光光束X-Y平面进行扫描，形成加工所需的绕光轴旋转的环。上述旋转光路光束装置能够通过波片旋转机构的高速旋转，使得激光光束的偏振态保持一直是径向的，形成各个方向一致的偏振态，并且通过波片旋转机构与二维扫面机构的不断调整使得激光光束的偏振态与激光加工路径是同步的，从而减少打孔过程中激光偏振态的影响，自由控制孔的圆度，进而保证加工孔的圆度。

激光器的偏振态可能存在多种形式，诸如线偏振、椭圆偏振、径向偏振等。不同的偏振态的光经过上述装置后最终形成的环的偏振态也不同，为了更好的理解，本发明实施例提供了一种不同偏振光光线旋转示意图，参见图2所示。其中，图2的(a)部分示意出线偏振光光线旋转后形成的环各个方向上都保持线偏振；图2的(b)部分示意出椭圆偏振光光线旋转后形成的环各个方向上都保持椭圆偏振；图2的(c)部分示意出径向偏振光光线旋转后形成的环各个方向上都保持径向偏振。

此外，为了保证加工过程的安全性和准确性，本发明实施例还提供了另一种旋转光路光束装置，参见图3所示的另一种旋转光路光束装置的结构示意图，示意出该装置在图1的基础上还包括：穿孔检测单元70和位置检测单元80。

具体的，穿孔检测单元70可以实时检测孔是否打通，位置检测单元80可以实时检测激光光束的位置，比如检测到激光光束位置发生了偏移，可以通过调节第一调节镜组30和第二调节镜组40的相对距离，或者同时移动第一调节镜组30的聚焦组件和第二调节镜组40的聚焦组件来调节光束的角度，以保证打孔的形状和大小。

综上所述，本发明实施例提供的旋转光路光束装置包括：波片旋转机构10、二维扫描机构20、第一调节镜组30、第二调节镜组40、反射镜50、聚焦镜组60、穿孔检测单元70和位置检测单元80。激光器发射的激光光束经过波片旋转机构10将激光器的偏振态保持一直是径向，激光光束经过波片旋转机构10的高速旋转后形成一个各个方向偏振态一致的圆，并且使得偏振态和激光加工路径是同步的；之后经过二维扫描机构20，激光光束偏折90°，光轴旋转90°，二维扫描机构20可以实现激光光束的绕旋转后的光轴的旋转；之后，激光光束依次经过第一调节镜组30、第二调节镜组40、反射镜50、聚焦镜组60形成所需要的不同角度不同直径的环的光束。其中，第一调节镜组30和第二调节镜组40各自的聚焦组件不同间隔的调节可以改变实际加工可达到的不同孔径的需求，第一调节镜组30和第二调节镜组40之间会相对的移动，可以满足不同孔径下经过聚焦镜组60的光束的角度需求。

此外，上述装置不受激光波长的限制，仅需要根据不同的波长应用不同的膜系即可；具备加工不同孔径的能力，加工孔径范围可以是20um-1.5mm，诸如：加工孔的直径可以是70um、100um、1mm等。因此，可以满足微小孔以及大深径比的加工需求，不仅可以提高孔的圆度，还可以自由控制加工的形状以及光束的入射角度。

为了更好的理解上述装置的结构及作用，本发明实施例还提供一种具体的旋转光路光束装置的结构示意图，参见图4所示，示意出旋转光路光束装置包括：波片旋转机构10、二维扫描机构20、第一调节镜组30、第二调节镜组40、反射镜50、聚焦镜组60、穿孔检测单元70和位置检测单元80。其中，波片旋转机构10包括波片101；第一调节镜组30包括第一聚焦组件301和第二聚焦组件302，第一聚焦组件301和第二聚焦组件302之间的位置是可以调节的，调节间距会得到不同的焦距，焦距范围可以是500mm-1000mm；第二调节镜组40包括第三聚焦组件401和第四聚焦组件402，第三聚焦组件401和第四聚焦组件402之间的位置也是可以调节的，调节量与第一调节镜组30的调节有关；第一调节镜组30的焦距与第二调节镜组40的焦距比例范围可以是0.5-2；聚焦镜组60包括第一镜片601、第二镜片602和第三镜片603，聚焦镜组60的间距可以在20mm-75mm之间。

对于上述装置的使用过程可以描述为：某种偏振态的激光入射到波片旋转机构10后，经过波片101的高速绕光轴旋转形成类似各个方向偏振态一致的光，保持光的偏振态一直是径向的分布，其中，波片101的旋转角度β与偏振态方向的转动角γ之间的关系是γ＝2β；再经过二维扫描机构20，光束偏折90°，光轴旋转90°，此时二维扫描机构20可以实现光束的绕旋转后的光轴的旋转；再经过第一调节镜组30、第二调节镜组40、反射镜50、聚焦镜组60后形成所需要的不同角度不同直径的环的光束。同时调节第一调节镜组30内部第一聚焦组件301和第二聚焦组件302的相对位置，可以改变不同极限孔径的需求；更改第一调节镜组30和第二调节镜组40的相对位置，可以改变不同孔径不同角度的需求。穿孔检测单元70，可以用来实时的检测孔是否打通；位置检测单元80，可以实时的检测光的位置，以方便于及时的调试与发现问题。

需要说明的是，图4所示的旋转光路光束装置中各部件的相对摆放位置仅为示意性的，聚焦组件和镜片的数量也仅为示意，在实际应用中可以与图4不同，在此不做限定。

进一步，本发明实施例还对上述旋转光路光束装置在不同光线下形成的不同直径和深度的孔的情况进行了举例说明：

(1)参见图5所示的一种角度α满足0°＜α＜90°时的光线图，当形成的环的直径d满足：d＞t(t为激光光束最细位置的宽度)，角度α(即边缘光线与光轴的夹角)满足0°＜α＜90°时，形成的孔的直径d与h1(加工孔的最大深度)的比可以达到1:14。

(2)参见图6所示的一种角度α满足α＝0°时的光线图，当形成的环的直径d满足：d＝t，角度α满足α＝0°时，形成的孔的直径d和深度h的比例可以达到1:10。

(3)参见图7所示的一种角度α满足α＞90°时的光线图，当形成的环的直径d满足：d＜t，角度α满足α＞90°时，形成的孔的直径d和深度h的比例无限(也就是形成孔的深度值很大)。

对于上述实施例提供的旋转光路光束装置，本发明实施例提供了一种旋转光路光束系统，参见图8所示的一种旋转光路光束系统的结构示意图，示意出该系统包括上述实施例提供的旋转光路光束装置100，还包括激光器200和远程终端300，远程终端300包括协同控制卡400；远程终端300用于向协同控制卡400发送信号；协同控制卡400用于将接收到的信号发送至激光器200和旋转光路光束装置100的波片旋转机构和二维扫描机构，并接收激光器200、波片旋转机构和二维扫描机构发送的反馈信号，以使激光加工路径与偏振态的径向保持同步。具体的远程终端300可以是计算机、手机、平板电脑等。

本发明实施例提供的旋转光路光束系统，能够通过远程终端内的协同控制卡对激光器和旋转光路光束装置进行控制，旋转光路光束装置通过内设的波片旋转机构和二维扫描机构使得激光器发射的激光光束使得入射到的激光光束经过高速旋转后形成各个方向一致的偏振态，同时将反馈信号发送至协同控制卡，并保持激光光束的偏振态为径向分布，从而可以减少旋转光路光束装置打孔过程中激光偏振态的影响，自由控制孔的圆度，进而保证加工孔的圆度。

本实施例所提供的系统中，旋转光路光束装置的实现原理及产生的技术效果和前述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

需要注意的是，在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种旋转光路光束装置，其特征在于，包括：沿光轴依次分布的波片旋转机构、二维扫描机构、第一调节镜组、第二调节镜组、反射镜和聚焦镜组；

所述波片旋转机构用于将入射的激光光束通过高速旋转形成各个方向一致的偏振态，保持所述激光光束的偏振态为径向分布；

所述二维扫描机构用于对所述激光光束的X-Y平面进行扫描，形成加工所需的绕所述光轴旋转的环；

所述第一调节镜组、所述第二调节镜组、所述反射镜和所述聚焦镜组用于控制所述环的大小和光束的角度。

2.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述波片旋转机构包括波片和旋转电机；其中，所述旋转电机控制所述波片以所述光轴为旋转轴高速旋转。

3.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述第一调节镜组和所述第二调节镜组的位置是不固定的。

4.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述第一调节镜组包括至少两个聚焦组件，每个所述聚焦组件包括至少一片聚焦镜片，所述聚焦组件之间的间距是不固定的；

所述第二调节镜组包括至少两个聚焦组件，每个所述聚焦组件包括至少一片聚焦镜片，所述聚焦组件之间的间距是不固定的；

所述第一调节镜组的所述聚焦组件和所述第二调节镜组的所述聚焦组件同时移动，用于调节所述环的大小。

5.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述第一调节镜组和所述第二调节镜组的焦距比例范围为0.5-2。

6.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述反射镜还用于将所述光轴旋转90°。

7.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述聚焦镜组包括至少三个镜片，用于调节所述激光光束的角度。

8.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述旋转光路光束装置还包括：

穿孔检测单元，用于实时检测孔是否打通。

9.根据权利要求1所述的旋转光路光束装置，其特征在于，所述旋转光路光束装置还包括：

位置检测单元，用于实时检测所述激光光束的位置。

10.一种旋转光路光束系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至9任一项所述的旋转光路光束装置，还包括激光器和远程终端，所述远程终端包括协同控制卡；

所述远程终端用于向所述协同控制卡发送信号；

所述协同控制卡用于将接收到的所述信号发送至所述激光器和所述旋转光路光束装置的波片旋转机构和二维扫描机构，并接收所述激光器、所述波片旋转机构和所述二维扫描机构发送的反馈信号，以使激光加工路径与偏振态的径向保持同步。

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