CN111515526A - 一种多光束加工装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多光束加工装置及加工方法，所述多光束加工装置用于多层材料的加工,包括:控制系统及与所述控制系统连接的脉冲激光系统，所述脉冲激光系统包括：脉冲激光器，用于产生脉冲激光束，所述脉冲激光束包括第一脉冲激光束及第二脉冲激光束；合束器，设置在所述脉冲激光器的出光路径上，用于将所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束引导至相同的光路径上。通过切换激光发生器/激光光束来选用不同的激光参数及离焦量,与单光束及机械式调焦相比，响应速度更快。

Description

一种多光束加工装置及加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种多光束加工装置及加工方法。
背景技术
采用激光束对多层材料进行加工(如钻孔)时，由于各层材料对激光的吸收率、材料的导热率、材料的熔化温度、汽化温度不同，在加工各层材料时，需使用不同的激光参数，如激光功率、频率、激光离焦量等。
现有的设备通常采用电机带动激光头进行调焦(在具有不同激光参数的激光之间进行切换)，或者采用电动变焦镜来调焦，这两种工作模式的响应时间通常约需要1s。若逐个孔进行加工(逐个打孔模式)，则存在频繁调焦的动作，当需要加工的孔数较多时，调焦总耗时非常多。
因此，如何实现对激光束进行快速调焦，提升多层材料的加工效率是亟需解决的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种多光束加工装置及加工方法，旨在实现对激光束进行快速调焦，提升多层材料的加工效率。
第一方面，一种多光束加工装置，用于多层材料的加工，其中，包括，控制系统及与所述控制系统连接的脉冲激光器，用于产生脉冲激光束，所述脉冲激光束包括第一脉冲激光束及第二脉冲激光束；
合束器，设置在所述脉冲激光器的出光路径上，用于将所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束引导至相同的光路径上。
所述的多光束加工装置，其中，所述脉冲激光器包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器，在所述第一脉冲激光器与所述合束器之间的所述出光路径上，依次设置有第一光束准直器及第一反射镜，在所述第二脉冲激光器与所述合束器之间的所述出光路径上设置有第二光束准直器。
所述的多光束加工装置，其中，还包括：
激光加工部，与所述控制系统连接，用于将经过所述合束器的脉冲激光束引导至多层材料上的待加工位置。
所述的多光束加工装置，其中，还包括与所述控制器连接的样品台，所述样品台用于放置多层材料。
所述的多光束加工装置，其中，所述控制系统包括，第一控制器及与所述第一控制器通信连接的第二控制器，所述第一控制器分别与所述脉冲激光器及所述激光加工部连接；所述第二控制器分别与所述激光加工部及所述样品台连接，用于控制所述激光加工部在竖直方向上的运动及控制所述样品台在水平方向上的运动。
所述的多光束加工装置，其中，所述合束器与所述激光加工部之间还设置有多个反射镜，用于将通过所述合束器的脉冲激光束引导至所述激光加工部。
第二方面，一种多光束加工方法，其中，包括：
控制脉冲激光器产生第一脉冲激光束和第二脉冲激光束，将所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束引导至多层材料的待加工位置；
利用所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的一个脉冲激光束，对所述多层材料的第一部分进行加工；
再利用所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的另一个脉冲激光束，对所述多层材料的第二部分进行加工。
所述的多光束加工方法，其中，所述将所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束引导至多层材料的待加工位置，包括：
将所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束引导至激光加工部，由所述激光加工部将经过合束器的脉冲激光束引导至多层材料的待加工位置。
所述的多光束加工方法，其中，第一脉冲激光束的波长与所述第二脉冲激光束的波长相同。
所述的多光束加工方法，其中，所述第二脉冲激光光束的对焦高度与所述第一脉冲激光束的对焦高度不同。
有益效果：本发明所提供的一种多光束加工装置，由于脉冲激光器所产生的两束脉冲激光束相互独立，可以单独进行控制，通过合束器将脉冲激光器所产生的两束激光束引导至相同的出光路径上，当需要不同的脉冲激光束进行加工时，只需要改变通过所述合束器中的脉冲激光束即可实现快速调焦，实现不同的脉冲激光束使用不同的激光参数及离焦量。通过切换激光发生器/激光光束来选用不同的激光参数及离焦量。与单光束及机械式调焦相比，响应速度更快。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多光束加工装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多光束加工方法流程示意图；
图3是本发明实施例中多层材料及钻孔截面示意图；
图4是多层材料进行逐个打孔(模式)流程示意图；
图5是多层材料进行逐层打孔(模式)流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。需要说明的是，本发明中的多光束，是相对于单光束而言的，并非指三个或三个以上。
现有技术中在对多层材料进行钻孔时，由于每层材料的性质不同需要使用不同参数的激光束进行加工，即需要频繁的对激光束进行调焦，现有技术中采用电机带动的激光头进行调焦或者采用电动变焦镜来进行调焦，这两种调焦模式的响应时间较长，当需要钻制的孔较多时，调焦总耗时非常多，影响了加工效率。
基于此，本申请希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。
请参阅图1，图1为本实施例中所提供的多光束加工装置的结构示意图。如图1所示，多光束加工装置10包括：控制系统100及与所述控制系统100连接的脉冲激光器200，用于产生脉冲激光束，所述脉冲激光束包括第一脉冲激光束及第二脉冲激光束；合束器220，设置在所述脉冲激光器的出光路径上，用于将所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束引导至相同的光路径上。
在本实施例中，脉冲激光器所产生的两束脉冲激光束相互独立，可以单独进行控制，通过合束器将脉冲激光器所产生的两束激光束引导至相同的出光路径上，当需要不同的脉冲激光束进行加工时，只需要改变通过所述合束器中的脉冲激光束即可实现快速调焦，实现不同的脉冲激光束使用不同的激光参数及离焦量。可以通过切换激光发生器/激光光束来选用不同的激光参数及离焦量，与单光束及机械式调焦相比，具有更快的响应速度(仅需数毫秒或更短)。
在本实施例的一个实施方式中，所述脉冲激光器设置有两个，即第一脉冲激光器211和第二脉冲激光器212，容易理解的，所述第一脉冲激光器211所发射的脉冲激光束对应所述第一脉冲激光束，所述第二脉冲激光器所发射的脉冲激光束对应所述第二脉冲激光束。在两个脉冲激光器的出光路径上还分别设置有光束准直器，用于对脉冲激光束进行准直。其中，设置在第一脉冲激光器211出光路径上的光束准直器为第一光束准直器231和设置在第二脉冲激光器212出光路径上的光束准直器为第二光束准直器232。所述第二光束准直器232为可调光束准直器，通过所述第二光束准直器232可以对第二脉冲激光束的焦距进行调节，以满足不同的加工需要。
进一步地，在第一光束准直器231的出光侧还设置有反射镜241，用于改变经过第一光束准直器231的脉冲激光束的发射方向，经反射使其进入到合束器220中。
在本实施例的一个实施方式中，所述多光束加工装置10还包括，用于将经过所述合束器220的脉冲激光束引导至多层材料上的待加工位置的激光加工部300，所述激光加工部300与所述控制系统100连接。由于两束激光束在经过合束器220后，脉冲激光束共用一个激光加工部300，节省了装置成本，提升了装置的性价比。
在本实施例的一个实施方式中，所述多光束加工装置10还包括，用于放置待加工物体的样品台400，所述样品台400可以沿平面直角坐标系的X轴或Y轴移动。
在本实施例的一个实施方式中，所述控制系统100包括两个控制卡(即第一控制器和第二控制器)，即控制卡I110和控制卡II 120，需要说明的是控制卡I和控制卡II的种类型号可以相同也可以不同，因为其为现有技术，控制卡I和II的具体型号在此不做要求。容易理解的，控制卡I和控制卡II是通过与计算机130相连来实现其控制功能的。当然计算机可以是台式的也可以是便携式的又或者是其他智能终端。其中，所述第一控制器分别与所述脉冲激光器及所述激光加工部连接；所述第二控制器分别与所述激光加工部及所述样品台连接，用于控制所述激光加工部在竖直方向上(Z方向上)的运动及控制所述样品台在水平方向上的运动如在X方向上或Y方向上运动。
在本实施例的一个实施方式中，为了将经过合束器的脉冲激光束引导至激光加工部，在所述合束器与所述激光加工部之间设置多个反射镜如图中设置有3个即242、243、244。容易理解的，所述反射镜的设置位置及角度均为现有技术，在此不做赘述。
基于上述多光束加工装置，本发明还提供了一种多光束加工方法，如图2所示，所述方法包括：
S100、控制脉冲激光器产生第一脉冲激光束和第二脉冲激光束，将所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束引导至多层材料的待加工位置。
具体来说，控制脉冲激光器，利用脉冲激光器发射脉冲激光束。其中，第一脉冲激光束和第二脉冲激光束可以是由两台激光器分别发射生成，也可以是由一台激光器通过分束得到。
S200、利用所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的一个脉冲激光束，对所述多层材料的第一部分进行加工；
S300、再利用所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的另一个脉冲激光束，对所述多层材料的第二部分进行加工。
具体来说，根据所要加工的多层材料的不同层，可以选择其中的一个如第一脉冲激光束来加工质地比较坚硬的材料层，用第二脉冲激光束来加工质地相对柔软的材料层。容易理解的，也可以是用第一脉冲激光束来加工质地相对柔软的材料层，而第二脉冲激光束用来加工质地比较坚硬的材料层。需要说明的是，材料质地坚硬和柔软是相对的，仅是用来说明两束激光束是分别用于加工不同材质的材料层。
作为举例，当采用本发明所提供的上述多光束加工方法，来加工Cu-Pi-Cu的三层材料，对铜层加工时，对激光器的光束质量及脉冲能量稳定性要求很高，并且要求准确将焦点对焦在铜表面。而在加工Pi层时，对光束质量要求较低，离焦2mm左右即可满足加工要求，加工结果如图3所示。
在本实施例的一个实施方式中，所述第一脉冲激光束的波长与所述第二脉冲激光束的波长是相同的，由于采用相同波长的脉冲激光束，无需增设专门的部件来对其进行调节，简化了装置结构。
在本实施例的一个实施方式中，所述第二脉冲激光光束的对焦高度与所述第一脉冲激光束的对焦高度不同。通过设置不同的对焦高度可以获得不同能量的脉冲激光束(在波长相同的前提下)，既满足了简化装置结构的需求也可以适用于对不同材料层进行加工。
在本实施例的一个实施方式中，当需要在一个多层材料上加工多个孔时，可以采用如图4所示的逐个孔进行加工。换言之，就是利用一个脉冲激光束先打第一层上的孔，第一层上的孔打完后接着更换另外一个脉冲激光束打第二层上的孔。然后重复上述步骤依次加工，直到结束。
在本实施例的一个实施方式中，当需要在一个多层材料上加工多个孔时，可以采用如图5所示的逐层进行加工。换言之，就是先利用一个脉冲激光束将第一层上所有的孔依次打完，然后更换另一个脉冲激光束来打第二层上的孔。显然，相较于逐个打孔模式，逐层打孔效率更高。
在本实施例的一个实施方式中，两个脉冲激光束可以分别进行加工，也可以合束进行加工，当两个脉冲激光束合束进行加工时，脉冲激光束的能量会更高。
在本实施例的一个实施方式中，当需要加工的材料多于三层时，比如说需要对五层、六层、七层等，可以采取逐层加工的方式进行，只需要调整通过合束器激光束的参数即可。
综上所述，本发明提供了一种多光束加工装置及加工方法，由于脉冲激光器所产生的两束脉冲激光束相互独立，可以单独进行控制，通过合束器将脉冲激光器所产生的两束激光束引导至相同的出光路径上，当需要不同的脉冲激光束进行加工时，只需要改变通过所述合束器中的脉冲激光束即可实现快速调焦，实现不同的脉冲激光束使用不同的激光参数及离焦量。通过切换激光发生器/激光光束来选用不同的激光参数及离焦量。与单光束及机械式调焦相比，响应速度更快。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多光束加工装置，用于多层材料的加工，包括控制系统，其特征在于，还包括：
与所述控制系统连接的脉冲激光器，用于产生脉冲激光束，所述脉冲激光束包括第一脉冲激光束及第二脉冲激光束；
合束器，设置在所述脉冲激光器的出光路径上，用于将所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束引导至相同的光路径上。
2.如权利要求1所述的多光束加工装置，其特征在于，所述脉冲激光器包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器，在所述第一脉冲激光器与所述合束器之间的所述出光路径上，依次设置有第一光束准直器及第一反射镜，在所述第二脉冲激光器与所述合束器之间的所述出光路径上设置有第二光束准直器。
3.如权利要求2所述的多光束加工装置，其特征在于，还包括：
激光加工部，与所述控制系统连接，用于将经过所述合束器的脉冲激光束引导至多层材料上的待加工位置。
4.如权利要求2所述的多光束加工装置，其特征在于，还包括与所述控制器连接的样品台，所述样品台用于放置多层材料。
5.如权利要求4所述的多光束加工装置，其特征在于，所述控制系统包括，第一控制器及与所述第一控制器通信连接的第二控制器，所述第一控制器分别与所述脉冲激光器及所述激光加工部连接；所述第二控制器分别与所述激光加工部及所述样品台连接，用于控制所述激光加工部在竖直方向上的运动及控制所述样品台在水平方向上的运动。
6.如权利要求3所述的多光束加工装置，其特征在于，所述合束器与所述激光加工部之间还设置有多个反射镜，用于将通过所述合束器的脉冲激光束引导至所述激光加工部。
7.一种多光束加工方法，其特征在于，包括：
控制脉冲激光器产生第一脉冲激光束和第二脉冲激光束，将所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束引导至多层材料的待加工位置；
利用所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的一个脉冲激光束，对所述多层材料的第一部分进行加工；
再利用所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的另一个脉冲激光束，对所述多层材料的第二部分进行加工。
8.如权利要求7所述的多光束加工方法，其特征在于，所述将所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束引导至多层材料的待加工位置，包括：
将所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束引导至激光加工部，由所述激光加工部将经过合束器的脉冲激光束引导至多层材料的待加工位置。
9.如权利要求8所述的多光束加工方法，其特征在于，第一脉冲激光束的波长与所述第二脉冲激光束的波长相同。
10.如权利要求9所述的多光束加工方法，其特征在于，所述第二脉冲激光光束的对焦高度与所述第一脉冲激光束的对焦高度不同。
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