CN115464280A - 激光钻孔装置 - Google Patents

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CN115464280A CN202211323482.5A CN202211323482A CN115464280A CN 115464280 A CN115464280 A CN 115464280A CN 202211323482 A CN202211323482 A CN 202211323482A CN 115464280 A CN115464280 A CN 115464280A
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陈金祥
袁伟涛
张玉涛
甘明辉
林小波
杨小君
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Abstract

本发明公开一种激光钻孔装置，其包括其包括激光器、脉冲串生成模块以及加工组件，激光器用于产生单脉冲激光光束；脉冲串生成模块设于激光器的出射端以使单脉冲激光光束形成包括至少两个聚焦位置相同且具有时间差的子脉冲的激光脉冲串；加工组件设于脉冲串生成模块的出射端以对工件进行加工，使得具有时间差的子脉冲依次对工件的同一位置进行钻孔加工，前一子脉冲加工后，在等待后一子脉冲加工的过程中，前一子脉冲产生的等离子体会被外部除尘等辅助设备清除，不会遮蔽后一子脉冲注入工件，也不会吸收下一子脉冲，整体提高了钻孔加工时实际产生作用的能量，从而提高了钻孔效率，减小等离子体大量聚集产生的热影响和热辐射，有效改善了钻孔的质量。

Description

激光钻孔装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种加工质量高且效率高的激光钻孔装置。
背景技术
在FPC柔性电路基板加工中，有一道铜箔钻孔工序，通常都采用纳秒紫外激光加工进行钻孔，这种加工方式由于采用纳秒这种长脉冲激光，在加工过程中，孔的边缘会有火山口效应，即热熔影响，同时在对一些复合多层板进行加工时，会引起分层与胶体的内缩效应，这对后续电路的良率影响很大，也严重限制高频通信的质量。为了解决这个行业痛点，有些业内人员提出了利用紫外皮秒这种冷光源进行钻孔加工，超快激光具有窄脉宽的特点，但是也由于窄脉宽而具有极高的峰值功率，当激光与材料作用时，材料表面会产生大量的等离子体，等离子会严重的遮蔽激光注入材料，同时等离子体又大量地吸收激光，会造成微孔周围严重氧化，同时微孔的形貌尺寸也具有不确定性，而导致形貌各异，从而使得钻孔质量差。当然，用很低的功率的激光去制作微孔，微孔形貌确实很好，表面保持材料本征的特性，无需清洗就可以电镀，但是效率低下。
因此，有必要提供一种加工质量高且效率高的激光钻孔装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加工质量高且效率高的激光钻孔装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种激光钻孔装置，其包括激光器、脉冲串生成模块以及加工组件；
所述激光器用于产生单脉冲激光光束；
所述脉冲串生成模块设于所述激光器的出射端以使所述单脉冲激光光束形成包括至少两个聚焦位置相同且具有时间差的子脉冲的激光脉冲串；
所述加工组件设于所述脉冲串生成模块的出射端，所述激光脉冲串射入所述加工组件以对工件进行钻孔加工。
可选的，所述脉冲串生成模块包括分束单元和合束单元，所述分束单元用于将所述单脉冲激光束进行分束处理得到至少两个子脉冲；
所述合束单元用于对分束形成的所述子脉冲进行合束以形成聚焦位置相同且具有时间差的所述激光脉冲串。
可选的，所述分束单元包括至少两个依次设置的分光镜，每一所述分光镜将射入的光束分束为第一光束和第二光束，前一所述分光镜分出的所述第二光束射入后一所述分光镜进行分束，每一所述分光镜分束的所述第一光束形成所述子脉冲；
所述合束单元包括依次设置的至少一个合束镜和一个反射镜，所述合束镜和所述反射镜与所述分光镜一一对应设置，其中所述反射镜对应最后一个所述分光镜设置，用于将最后一个所述分光镜分出的第一光束反射至与该反射镜相邻的所述合束镜，所述合束镜用于将对应的所述分光镜分出的第一光束和位于其后侧的所述合束镜或者所述反射镜出射的光束进行合束处理后射出。
可选的，所述分束单元还包括第一偏振波片，每相邻的两所述分光镜之间分别设有所述第一偏振波片，以调节每一所述第二光束的功率。
可选的，通过调节每一所述分光镜和/或每一所述合束镜的位置使每一所述子脉冲的聚焦位置相同。
可选的，所述子脉冲之间的时间差根据每一所述子脉冲的传输路径的光程设置。
可选的，所述加工组件包括扫描器件以及设于其出射端的聚焦镜，所述扫描器件接收所述激光脉冲串并控制其对工件进行扫描加工，所述聚焦镜用于对所述扫描器件出射的激光脉冲串进行聚焦。
可选的，所述加工组件还包括设于所述聚焦镜的出射端的载物台，所述载物台用于承载所述工件。
可选的，所述激光钻孔装置还包括设于所述激光器的出射端和所述脉冲串生成模块之间的扩束镜，所述扩束镜用于放大所述激光器出射的所述单脉冲激光光束的光斑。
可选的，所述扩束镜的出射端和所述脉冲串生成模块之间还设有第二偏振波片，以调节所述单脉冲激光光束的功率。
与现有技术相比，由于本发明的激光钻孔装置，其具有激光器、脉冲串生成模块以及加工组件，所述激光器用于产生单脉冲激光光束；所述脉冲串生成模块设于所述激光器的出射端以使所述单脉冲激光光束形成包括至少两个聚焦位置相同且具有时间差的子脉冲的激光脉冲串；所述加工组件设于所述脉冲串生成模块的出射端，所述激光脉冲串射入所述加工组件以对工件进行钻孔加工，使得具有时间差的子脉冲依次对工件的同一位置进行钻孔加工，前一子脉冲加工后，在等待后一子脉冲加工的过程中，前一子脉冲产生的等离子体会被外部除尘等辅助设备清除，不会遮蔽后一子脉冲注入工件，也不会吸收下一子脉冲，整体提高了钻孔加工时实际产生作用的能量，从而提高了钻孔效率，减小等离子体大量聚集产生的热影响和热辐射，有效改善了钻孔的质量。
附图说明
图1是本发明激光钻孔装置的模块框图。
图2是本发明激光钻孔装置的光学原理框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。本发明的激光钻孔装置1，主要适用于FPC柔性电路基板的微孔加工，但是并不以此为限，当然还可以用于对其他相类似的工件进行微孔加工或者其他工艺加工。
下面先参看图1所示，本发明的激光钻孔装置1，其包括激光器10、脉冲串生成模块20以及加工组件30。
其中，激光器10用于产生单脉冲激光光束；脉冲串生成模块20设于激光器10的出射端以使单脉冲激光光束形成包括至少两个聚焦位置相同且具有时间差的子脉冲的激光脉冲串；加工组件30设于脉冲串生成模块20的出射端，激光脉冲串射入加工组件30以对工件进行钻孔加工，使得具有时间差的子脉冲依次对工件的同一位置进行钻孔加工，前一子脉冲加工后，在等待后一子脉冲加工的过程中，前一子脉冲注入工件而产生的等离子体会被外部除尘等辅助设备清除，不会遮蔽后一子脉冲注入工件，也不会吸收下一子脉冲，整体提高了钻孔加工时实际产生作用的能量，从而提高了钻孔效率，减小等离子体大量聚集产生的热影响和热辐射，有效改善了钻孔的质量。
可以理解的是，为了能够顺利对工件进行钻孔，每一子脉冲在工件表面的能量密度需达到加工的阈值，该阈值根据工件的材料设置。
本发明实施例的激光器10可以采用400K@30W紫外皮秒激光器，既能够利用超快激光的冷加工效率和高峰值功率进行钻孔，同时能够将单个脉冲的激光分成至少两个具有时间差的子脉冲，降低等离子体的屏蔽效应和热辐射，有效改善钻孔质量的同时提高钻孔效率。
下面结合图1-图2所示，在本发明实施例的激光钻孔装置1中，脉冲串生成模块20包括分束单元21和合束单元，分束单元21用于将单脉冲激光束进行分束处理得到至少两个子脉冲；合束单元22用于对分束形成的子脉冲进行合束以形成聚焦位置相同且具有时间差的激光脉冲串，通过分束单元21将单脉冲激光束分束成至少两个子脉冲，每个子脉冲之间经过不同的光程，形成时间差，然后通过合束单元22将子脉冲合为聚焦位置相同的激光脉冲串。
可以理解的是，本发明实施例中所指的时间差是指激光脉冲串中相邻两个子脉冲之间的时间间隔，激光脉冲串的子脉冲之间的时间差很短，比如1-3ns；一个单脉冲激光束经过本发明实施例的激光钻孔装置1所产生的子脉冲个数根据实际需求设置，可以设置为2个、3个、5个、10个等等。
具体地，如图2所示，分束单元21包括至少两个依次设置的分光镜210，每一分光镜210将射入的光束分束为第一光束100和第二光束200，前一分光镜210分出的第二光束200射入后一分光镜210进行分束，每一分光镜210分束的第一光束100形成子脉冲；合束单元22包括依次设置的至少一个合束镜220和一个反射镜221，合束镜220和反射镜221与分光镜210一一对应设置，其中反射镜221对应最后一个分光镜210设置，用于将最后一个分光镜210分出的第一光束100反射至与该反射镜221相邻的合束镜220，合束镜220用于将对应的分光镜210分出的第一光束100和位于其后侧的合束镜220或者反射镜221出射的光束进行合束处理后射出。其中，前一分光镜220和后一分光镜220是相邻的两个分光镜220，前一分光镜220的一出射端与后一分光镜220的入射端相对设置，以使前一分光镜220的分出的一光束射入后一分光镜220；位于某一合束镜220的“后侧的合束镜220”是指出射光束至该合束镜220的合束镜220。
通过分光镜210、合束镜220和反射镜221的位置设置，使得每一子脉冲经历不同的光程，从而在时域上分离，形成具有时间差的激光脉冲串。可以理解的是，合束镜220加上反射镜221的数量与分光镜210的数量相同，第一个合束镜220将所有第一光束100形成的子脉冲合束处理生成激光脉冲串出射至加工组件30。其中，分光镜210可以是PBS分光镜，反射镜221可以是45度反射镜。
在一些具体的示例中，如图2所示，分束单元21包括依次设置的第一分光镜210a、第二分光镜210b和第三分光镜210c，第一分光镜210a的入射端设于激光器10的出射端以接收单脉冲激光光束，第一分光镜210a将单脉冲激光光束分束为第一光束100和第二光束200，第二分光镜210b接收第二光束200并分束为第二分光镜210b的第一光束100和第二光束200，第三分光镜210c接收第二分光镜210b的第二光束200并分束为第三分光镜210c的第一光束100和第二光束200；合束单元22包括依次设置的第一合束镜220a、第二合束镜220b和反射镜221，反射镜221用于将第三分光镜210c的第一光束100反射至第二合束镜220b，第二合束镜220b用于将第三分光镜210c的第一光束100和第二分光镜210b的第一光束100进行合束，第一合束镜220a用于将第一分光镜210a的第一光束100以及第二合束镜220b合束的光束进行合束处理形成激光脉冲串出射至加工组件30，每一分光镜210分束出的第一光束100是激光脉冲串的子脉冲，也就是说，第一分光镜210a和第一合束镜220a对应，第二分光镜210b和第二合束镜220b对应，第三分光镜210c和反射镜221对应。在该具体的示例中，分束单元21包括三个分光镜210，合束单元22包括两个合束镜220和一个反射镜221，可以理解的是，本发明实施例中，分束单元21中分光镜210的数量以及合束单元22中合束镜220的数量不以此为限，可以根据实际需要的子脉冲个数设置分光镜210和合束镜220的数量，可以理解的是，合束镜220的数量比分光镜210的数量少一个，第一个分光镜210对应第一个合束镜220设置，最后一个分光镜210对应反射镜221设置，最后一个分光镜210所分束的第一光束100由反射镜221反射至最后一个合束镜220中。
进一步地，子脉冲之间的时间差根据每一子脉冲的传输路径的光程设置，例如图2所示，第一分光镜210a分束的第一光束100为第一个子脉冲，其光程为l1，第二分光镜210b分束的第一光束100为第二个子脉冲，其光程为l2，第一个子脉冲和第二个子脉冲之间的时间差为(l2-l1)/c，c为光速，第三分光镜210c分束的第一光束100为第三个子脉冲，其光程为l3，第二个子脉冲和第三个子脉冲之间的时间差为(l3-l2)/c，从而可以调节分光镜210和合束镜220之间的距离以调节每一子脉冲的光程，从而调节子脉冲之间的时间差，也就是调节激光脉冲串的脉冲周期，从而改变等离子体的干扰，提高加工效率，降低等离子体的热辐射和热影响。
可以理解的是，为了调节每一子脉冲的光程，还可以在光束的传输路径上增加光延时器件，比如增加一些反射镜221等。为了便于调节每一子脉冲的光程，可以将分束单元21和合束单元22安装在可以横向运动的精密电动平台上，其中每一个分光镜210和每一个合束镜220均可以独立地在该电动平台上移动位置，从而方便调节分光镜210和合束镜220的位置。
需要说明的是，激光脉冲串中的子脉冲由于具有时间差，并未进行真正的合束处理，而是通过合束镜220使得所有子脉冲形成同轴光路，从而保证每一子脉冲的聚焦位置相同。
如图2所示，分束单元21还可以包括第一偏振波片23，每相邻的两分光镜210之间设有一第一偏振波片23，以调节每一第二光束200的功率，第一偏振波片23改变射入的第二光束200的偏振特性，从而能够调节第二光束200的功率，进而调节从偏振波片之后的分光镜210分束的第一光束100和第二光束200的功率，也就是能够调节每一个子脉冲的功率。其中，偏振波片可以是1/2波片。
本发明实施例中，为了使每一子脉冲的聚焦位置相同，可以通过调节每一分光镜210和/或每一合束镜220的位置调节每一子脉冲的聚焦位置。具体来说，可以在正式加工之前通过以下方法进行调节：阻断除第一个子脉冲之外的其他子脉冲的传输路径，调节第一个子脉冲经过的分光镜210和合束镜220的位置，使第一个子脉冲聚焦到用于调节的材料表面打出标记；恢复第二个子脉冲的传输路径，阻断第一个子脉冲的传输路径，根据第一个子脉冲打出的标记，调节第二个子脉冲经过的分光镜210和合束镜220的位置，使得第二个子脉冲打到该标记，从而使得第一个子脉冲和第二个子脉冲的聚焦位置重合，以此类推，使得所有子脉冲的聚焦位置重合。当然，实现聚焦位置相同的方法不限于此，比如还可以采用光束质量分析仪进行调节，具体为：将光束质量分析仪放置在合束单元22的出射端(也就是加工组件30的入射端)，选择一子脉冲正常传输(阻断其他子脉冲的传输路径)，该子脉冲投影在光束质量分析仪上，测出该子脉冲投影的光斑的大小，恢复其他子脉冲的传输路径，调节其他子脉冲经过的分光镜210和合束镜220的位置使得所有子脉冲投影在光束质量分析仪的光斑都重合，且逐一测量每一子脉冲的光斑大小，调节至每一子脉冲的光斑与初始测量的光斑大小相同或接近即可。当然，本发明实施例中，将每一子脉冲的聚焦位置调节至相同的方法不以上述具体方式为限。
请继续参阅图2，加工组件30可以包括扫描器件31以及设于其出射端的聚焦镜32，扫描器件31接收激光脉冲串并控制其对工件进行扫描加工，聚焦镜32用于对扫描器件31出射的激光脉冲串进行聚焦。其中，扫描器件31可以是振镜、转镜、声光器件或电光器件等等，聚焦镜32可以是透镜、远心场镜等等。在更具体的示例中，扫描器件31可以采用二维扫描数字振镜。
进一步地，加工组件30还包括设于聚焦镜32的出射端的载物台33，载物台33用于承载工件，聚焦镜32出射的激光脉冲串注入载物台33承载的工件上实现钻孔加工，其中载物台33可以采用二维精密数控运动平台，以控制载物台33中承载的工件的位置，使得聚焦镜32出射的激光脉冲串能够对工件需要钻孔的位置进行加工。可以理解的是，载物台33承载工件的平面与聚焦镜32出射的激光脉冲串的传输方向垂直，比如，载物台33设于聚焦镜32的下方，聚焦镜32出射的激光脉冲串向下传播注入载物台33承载的工件。
请继续参阅图2，本发明实施例的激光钻孔装置1还包括设于激光器10的出射端和脉冲串生成模块20之间的扩束镜11，扩束镜11用于放大激光器10出射的单脉冲激光光束的光斑，能够减小单脉冲激光光束的发散角，降低单脉冲激光光束的功率密度以对后续传输路径上的各个器件进行保护，当加工组件30设置聚焦镜32时，还能够改善聚焦镜32出射的光斑的尺寸，入射的光斑尺寸越大，聚焦镜32出射的光斑尺寸越小。
进一步地，扩束镜11的输出端和脉冲串生成模块20之间还设置有第二偏振波片12，以调节单脉冲激光光束的功率，其中，第二偏振波片12也可以设置为1/2波片。
本发明所涉及到的激光钻孔装置1的其他部分的结构均为本领域普通技术人员所熟知的常规方式，在此不再做详细的说明。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种激光钻孔装置，其特征在于，包括激光器、脉冲串生成模块以及加工组件；
所述激光器用于产生单脉冲激光光束；
所述脉冲串生成模块设于所述激光器的出射端以使所述单脉冲激光光束形成包括至少两个聚焦位置相同且具有时间差的子脉冲的激光脉冲串；
所述加工组件设于所述脉冲串生成模块的出射端，所述激光脉冲串射入所述加工组件以对工件进行钻孔加工。
2.如权利要求1所述的激光钻孔装置，其特征在于，
所述脉冲串生成模块包括分束单元和合束单元，所述分束单元用于将所述单脉冲激光束进行分束处理得到至少两个子脉冲；
所述合束单元用于对分束形成的所述子脉冲进行合束以形成聚焦位置相同且具有时间差的所述激光脉冲串。
3.如权利要求2所述的激光钻孔装置，其特征在于，
所述分束单元包括至少两个依次设置的分光镜，每一所述分光镜将射入的光束分束为第一光束和第二光束，前一所述分光镜分出的第二光束射入后一所述分光镜进行分束，每一所述分光镜分束的第一光束形成所述子脉冲；
所述合束单元包括依次设置的至少一个合束镜和一个反射镜，所述合束镜和所述反射镜与所述分光镜一一对应设置，其中所述反射镜对应最后一个所述分光镜设置，用于将最后一个所述分光镜分出的第一光束反射至与该反射镜相邻的所述合束镜，所述合束镜用于将对应的所述分光镜分出的第一光束和位于其后侧的所述合束镜或者所述反射镜出射的光束进行合束处理后射出。
4.如权利要求3所述的激光钻孔装置，其特征在于，所述分束单元还包括第一偏振波片，每相邻的两所述分光镜之间分别设有所述第一偏振波片，以调节每一所述第二光束的功率。
5.如权利要求3所述的激光钻孔装置，其特征在于，通过调节每一所述分光镜和/或每一所述合束镜的位置使每一所述子脉冲的聚焦位置相同。
6.如权利要求2所述的激光钻孔装置，其特征在于，所述子脉冲之间的时间差根据每一所述子脉冲的传输路径的光程设置。
7.如权利要求1所述的激光钻孔装置，其特征在于，所述加工组件包括扫描器件以及设于其出射端的聚焦镜，所述扫描器件接收所述激光脉冲串并控制其对工件进行扫描加工，所述聚焦镜用于对所述扫描器件出射的激光脉冲串进行聚焦。
8.如权利要求7所述的激光钻孔装置，其特征在于，所述加工组件还包括设于所述聚焦镜的出射端的载物台，所述载物台用于承载所述工件。
9.如权利要求1所述的激光钻孔装置，其特征在于，还包括设于所述激光器的出射端和所述脉冲串生成模块之间的扩束镜，所述扩束镜用于放大所述激光器出射的所述单脉冲激光光束的光斑。
10.如权利要求9所述的激光钻孔装置，其特征在于，所述扩束镜的出射端和所述脉冲串生成模块之间还设有第二偏振波片，以调节所述单脉冲激光光束的功率。
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