CN116372360A - 一种微孔旋切扫描加工光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微孔旋切扫描加工光学系统，通过偏振调节部件、光束整形部件、快反镜和旋切加工镜头实现精密微孔加工和异型孔的加工，孔径范围数十到几百微米尺寸；其中，本发明通过扩束镜与光阑作为光束整形部件来代替道威棱镜的功能，实现圆对称光束；通过快反镜实现任意光束轨迹扫描，通过旋切加工镜头产生先汇聚再离轴聚焦的光束走向；本发明的整个系统无高速旋转部件，避免了轴跳可能导致加工的偏差，单个快反镜控制实现容易，能实现陡直孔、锥形孔和异型孔等孔型的加工；同时，整个系统总长短，镜组为长条结构，紧凑、稳定，在相同焦距参数下能够实现更小孔径的加工。

Description

一种微孔旋切扫描加工光学系统
技术领域
本发明属于微孔加工技术领域，尤其涉及一种微孔旋切扫描加工光学系统。
背景技术
随着微机电系统、微纳光学、汽车产业等领域的不断发展，数十到几百微米尺寸的精密微孔在汽车发动机喷油嘴、微纳光学器件、半导体功能器件、精密喷嘴等方面有着广阔的应用前景，已经成为当前研究的重点。其加工的发展趋势是小孔径、大深径比和高精度。当前的微孔加工技术主要包括电火花、机械加工、激光加工等。其中超快激光产生的光场经过聚焦后，作用于材料可直接电离形成等离子体，被视为无材料选择性的冷加工方式。在精密微孔制造技术的未来发展趋势中，超快激光加工将有望成为主流技术。
超快激光微孔加工方法一般分为单脉冲打孔、多脉冲打孔、环形扫描打孔和螺旋线扫描打孔，其中精密微孔加工一般采用螺旋钻孔法。通过螺旋扫描结合步进的方式进行加工，将材料逐层去除。为了实现长直孔、倒锥孔等孔型的加工，要求聚焦激光束与加工面成锐角(聚焦激光束光轴与孔径前表面夹角)，并且聚焦激光束的外缘不与加工孔壁相互接触，避免孔壁挡光，打孔时产生锥度。因此，常规的微孔加工方式，例如扫描振镜结合场镜直接加工，孔壁挡光导致加工的孔带有明显的锥度。另外，由于扫描振镜精度和加工工作距的限制，单独使用扫描振镜和场镜难以实现几十微米的高深径比精密孔加工。目前国际上主流的长直孔、倒锥孔加工方式采用光楔旋转来实现，有双光楔、三光楔、四光楔等不同方案，通过镜组的高速旋转和光学器件折射、偏转实现螺旋线扫描，结合道威棱镜实现光束沿光轴的旋转，完成精密孔的加工。最近几年也发展了基于三反射系统的旋切扫描装置(CN114505602 A)、基于平行平板扫描头的旋切扫描装置(CN 110026677 B)和振镜结合4f光学系统的旋切扫描装置(CN106392310B)等精密微孔加工方法。上述高深径比精密孔加工光学系统本质上是在聚焦镜组前产生带有离轴角的平行光，不同方向的平行光由聚焦镜组聚焦产生先汇聚再离轴聚焦的光束走向，聚焦焦点(加工点)在汇聚之后的位置产生。
目前光楔旋转的加工方式需要镜组的高速旋转，道威棱镜和多光楔也导致旋转组件尺寸较大，对机械系统的要求极高，导致成本较高。对于几十微米的精密孔加工，旋转轴微小的轴跳就可能导致加工的偏差，并且这种加工方法只能加工圆孔，无法实现异形孔的加工(例如方形孔、三角形孔)。基于三反射系统的旋切扫描装置和振镜结合4f光学系统的旋切扫描装置可以实现圆孔和异型孔的加工，但三反射系统的旋切扫描方法需要三个反射镜的精密同步控制和复杂的算法控制，实现难度较高。对于几十微米的精密孔加工，微小的同步误差就可能导致加工的偏差，并且该系统中未对光束整形，对光束的圆度要求较高，难以实现几十微米孔的精密加工。振镜结合4f光学系统的旋切扫描加工方法通过XY方向两个反射镜的运动实现扫描，精度主要受限于振镜的扫描角分辨率。要实现几十微米精密孔加工需要光束大的离轴量，振镜结合4f光学系统的旋切扫描加工方法采用常规的镜组对光束进行离轴，离轴量小，聚焦镜组光束汇聚处的直径大，难以加工几十微米的精密孔。并且光路较长，系统整体尺寸大。同样该系统中未对光束整形，对光束的圆度要求较高，难以加工几十微米的精密孔。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种微孔旋切扫描加工光学系统，能够实现数十到几百微米尺寸的精密陡直孔、锥形孔和异型孔等孔型的加工。
一种微孔旋切扫描加工光学系统，包括激光器、1/4波片、扩束镜、光阑、快反镜以及旋切加工镜头，其中，旋切加工镜头包括扫描镜组、传像镜组以及聚焦镜组，且扫描镜组和传像镜组为摄远型镜头结构；
激光器出射的线偏振脉冲激光通过1/4波片后调整为圆偏振脉冲激光；圆偏振脉冲激光入射至扩束镜进行扩束，扩束后的圆偏振脉冲激光经过光阑滤光为中心对称分布的圆光斑脉冲激光；圆光斑脉冲激光入射至快反镜，并通过快反镜的两维摆振进行角度偏转，使得圆光斑脉冲激光指向旋切加工镜头；圆光斑脉冲激光依次经过扫描镜组、传像镜组以及聚焦镜组后，汇聚至加工面；同时，扫描镜组和传像镜组的摄远比均不小于1.5，使得从聚焦镜组出射的脉冲激光的汇聚部分的直径不大于待加工孔径，且从聚焦镜组出射的脉冲激光光轴与加工面成锐角。
进一步地，所述快反镜在音圈电机或压电陶瓷的驱动下，使得圆光斑脉冲激光的指向轨迹为螺旋线、同心圆、方形或者三角形，从而实现不同孔型的加工。
进一步地，从聚焦镜组出射的脉冲激光的汇聚部分的直径D的计算公式如下：
D＝2.44×M2×λ×F
其中，M2为激光光束质量因子，λ为脉冲激光的波长，F为旋切加工镜头的F数，且F数为旋切加工镜头的总焦距f与入射光束直径之间的比值，其中，总焦距f＝f3×f1/f2，其中，f1为扫描镜组焦距，f2为传像镜组焦距，f3为聚焦镜组焦距。
进一步地，所述扫描镜组依次由双凸透镜、凹凸透镜以及双凹透镜排布而成；所述传像镜组依次由双凹透镜、凹凸透镜以及双凸透镜排出而成；所述聚焦镜组依次由凹凸透镜、平凸透镜以及双凸透镜排布而成。
进一步地，摄远比为镜组焦距与镜组光学距离总长之间的比值。
有益效果：
1、本发明提供一种微孔旋切扫描加工光学系统，通过偏振调节部件、光束整形部件、快反镜和旋切加工镜头实现精密微孔加工和异型孔的加工，孔径范围数十到几百微米尺寸；其中，本发明通过扩束镜与光阑作为光束整形部件来代替道威棱镜的功能，实现圆对称光束；通过快反镜实现任意光束轨迹扫描，通过旋切加工镜头对不同方向入射光产生先汇聚再离轴聚焦的光束走向；本发明的整个系统无高速旋转部件，避免了轴跳可能导致加工的偏差，单个快反镜控制实现容易，能实现陡直孔、锥形孔和异型孔等孔型的加工；同时，整个系统总长短，镜组为长条结构，紧凑、稳定，在相同焦距参数下能够实现更小孔径的加工。
2、本发明提供一种微孔旋切扫描加工光学系统，采用扩束镜和光阑作为光束整形部件来实现高圆度的光斑整形，能够减小光斑质量对加工精度和圆度的影响，实现几十微米的精密孔加工。
3、本发明提供一种微孔旋切扫描加工光学系统，快反镜通过音圈电机或压电陶瓷驱动，响应速度快，控制精度高，可实现高速的螺旋线、同心圆、方形、三角形等不同方式的扫描，具备实现任意孔型的加工能力。
附图说明
图1为本发明提供的一种微孔旋切扫描加工光学系统的示意图；
图2为本发明的聚焦镜组光束汇聚处的放大图像；
图3为常规4f光学系统聚焦镜组光束汇聚处的放大图像；
图4为光斑为椭圆形和圆对称时扫描轨迹对比示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种微孔旋切扫描加工光学系统，包括激光器、1/4波片、扩束镜、光阑、快反镜以及旋切加工镜头，其中，旋切加工镜头包括扫描镜组、传像镜组以及聚焦镜组，且扫描镜组和传像镜组为摄远型镜头结构；
激光器出射的线偏振脉冲激光通过1/4波片后调整为圆偏振脉冲激光；需要说明的是，用于加工的线偏振脉冲激光在S偏振和P偏振具有不同的加工效率，为实现材料在不同方向的均匀去除，入射的线偏振脉冲激光通过1/4波片调节偏振态，实现圆偏振。
圆偏振脉冲激光入射至扩束镜进行扩束，扩束后的圆偏振脉冲激光经过光阑滤光为中心对称分布的圆光斑脉冲激光；需要说明的是，对于螺旋扫描加工，光斑不自转，而只是沿螺旋扫描轨迹旋转，光斑形状将影响加工的精度圆度；为了实现几十微米的精密孔加工，本发明采用扩束镜和光阑作为光束整形部件来实现高圆度的光斑整形，具体的，扩束镜对入射光扩束，光阑截取光束中心圆对称分布的部分，以此减小光斑质量对加工精度和圆度的影响。
圆光斑脉冲激光入射至快反镜，并通过快反镜的两维摆振进行角度偏转，使得圆光斑脉冲激光指向旋切加工镜头；其中，快反镜在音圈电机或压电陶瓷的驱动下，使得圆光斑脉冲激光的指向轨迹为螺旋线、同心圆、方形或者三角形，从而实现不同孔型，如陡直孔、锥形孔和异型孔等孔型的加工。
圆光斑脉冲激光依次经过扫描镜组、传像镜组以及聚焦镜组后，聚焦至加工面；同时，扫描镜组和传像镜组的摄远比均不小于1.5，使得从聚焦镜组出射的脉冲激光的汇聚部分的直径不大于待加工孔径，且从聚焦镜组出射的脉冲激光光轴与加工面成锐角。
需要说明的是，本发明的扫描镜组、传像镜组以及聚焦镜组的光学结构不唯一，本发明仅给出如图1所示的光学结构，其中，扫描镜组可以依次由双凸透镜、凹凸透镜以及双凹透镜排布而成；所述传像镜组可以依次由双凹透镜、凹凸透镜以及双凸透镜排出而成；所述聚焦镜组可以依次由凹凸透镜、双凸透镜以及双凸透镜排布而成。
为实现几十微米的精密孔加工，要求聚焦镜组后光束汇聚部分的直径小于等于加工的孔径，并且要求聚焦激光光轴与加工面成锐角；本发明通过将扫描镜组和传像镜组设计为摄远型镜头结构来实现这两个要求，摄远型镜头结构在保持焦距不变的同时能缩短镜头光学距离总长(镜头光学距离总长小于焦距)，同时增加离轴光束的离轴角，有利于在聚焦镜组后端产生更小的光束汇聚部分的直径；因此，本发明通过控制摄远比h(焦距/镜头光学距离总长)来控制光束汇聚部分的直径，从而达到最小加工直径的要求，并通过光学设计软件优化得到h≥1.5；另外，扫描镜组和传像镜组使用摄远型镜头结构可大幅减小系统光学结构长度，增加光学系统的稳定性，减小了光束漂移量，实现了系统的小型化。
下面以激光波长515nm，脉冲宽度300fs，光斑直径4mm，激光功率7W，重频50kHz为例对本发明的一种微孔旋切扫描加工光学系统进行进一步说明。
激光器出射的脉冲激光为线偏振，通过1/4波片后调整为圆偏振。然后激光入射到1.5倍扩束镜，扩束为直径6mm光束，后经过光阑滤光为直径4mm的中心对称分布的圆光斑。加工目标为微孔最小孔径60μm，最大加工深度为800μm，即加工的深径比为800/80＝10。对于高精密微孔加工，一般要求聚焦光斑直径小于四分之一最小加工孔径。根据加工深径比的要求，确定旋切加工镜头F数(镜头焦距/入射光束直径)为10，入射光束直径4mm，得到旋切加工镜头焦距f＝100mm。根据聚焦光斑直径计算公式D＝2.44×M2×λ×F，计算得到聚焦焦斑直径为14μm，满足聚焦光斑直径小于四分之一最小加工孔径的要求。由旋切加工镜头焦距计算公式f＝f3×f1/f2、系统排布要求和加工参数要求，通过光学设计软件设计完成光学系统参数，确定f1＝400mm，f2＝400mm，f3＝40mm。其中扫描镜组摄远比h1＝2.3，传像镜组摄远比h2＝2.1。图1为光学系统的整体示意图，系统总长为475mm(第一个镜片表面到加工面)，远小于三个镜组焦距之和840mm(f1+f2+f3＝840mm)。图2所示为聚焦镜组光束汇聚处的放大图像。光束汇聚处的直径为50μm，小于最小孔径60μm。结合旋切加工镜头F数为10，得到本发明具备实现最小孔径60μm、最大深径比10:1的加工能力。
图3所示为未采用摄远结构(焦距＝镜头光学距离总长)设计的旋切加工镜头的聚焦镜组光束汇聚处的放大图像。旋切加工镜头系统总长约860mm(第一个镜片表面到加工面)，光束汇聚处的直径为200μm，其中f1＝400mm，f2＝400mm，f3＝40mm。从对比结果可见，本发明光束汇聚处的直径为未采用摄远结构设计系统的1/4，系统总长为未采用摄远结构设计系统的0.55倍。因此，本发明在相同焦距参数下实现更小孔径的加工，能实现更短的系统总长。
图4所示为聚焦光斑为椭圆形和圆对称时扫描轨迹对比图。聚焦光斑为椭圆时，光斑扫描一圈后，扫描轮廓为椭圆，会导致加工的孔径边沿为椭圆。聚焦光斑为圆对称时，光斑扫描轮廓为圆形，加工的孔径边沿为圆形。因此，通过光束整形，能实现圆对称聚焦光斑，有利于本发明实现更高精度的微孔加工。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种微孔旋切扫描加工光学系统，其特征在于，包括激光器、1/4波片、扩束镜、光阑、快反镜以及旋切加工镜头，其中，旋切加工镜头包括扫描镜组、传像镜组以及聚焦镜组，且扫描镜组和传像镜组为摄远型镜头结构；
激光器出射的线偏振脉冲激光通过1/4波片后调整为圆偏振脉冲激光；圆偏振脉冲激光入射至扩束镜进行扩束，扩束后的圆偏振脉冲激光经过光阑滤光为中心对称分布的圆光斑脉冲激光；圆光斑脉冲激光入射至快反镜，并通过快反镜的两维摆振进行角度偏转，使得圆光斑脉冲激光指向旋切加工镜头；圆光斑脉冲激光依次经过扫描镜组、传像镜组以及聚焦镜组后，汇聚至加工面；同时，扫描镜组和传像镜组的摄远比均不小于1.5，使得从聚焦镜组出射的脉冲激光的汇聚部分的直径不大于待加工孔径，且从聚焦镜组出射的脉冲激光光轴与加工面成锐角。
2.如权利要求1所述的一种微孔旋切扫描加工光学系统，其特征在于，所述快反镜在音圈电机或压电陶瓷的驱动下，使得圆光斑脉冲激光的指向轨迹为螺旋线、同心圆、方形或者三角形，从而实现不同孔型的加工。
3.如权利要求1所述的一种微孔旋切扫描加工光学系统，其特征在于，从聚焦镜组出射的脉冲激光的汇聚部分的直径D的计算公式如下：
D＝2.44×M2×λ×F
其中，M2为激光光束质量因子，λ为脉冲激光的波长，F为旋切加工镜头的F数，且F数为旋切加工镜头的总焦距f与入射光束直径之间的比值，其中，总焦距f＝f3×f1/f2，其中，f1为扫描镜组焦距，f2为传像镜组焦距，f3为聚焦镜组焦距。
4.如权利要求1所述的一种微孔旋切扫描加工光学系统，其特征在于，所述扫描镜组依次由双凸透镜、凹凸透镜以及双凹透镜排布而成；所述传像镜组依次由双凹透镜、凹凸透镜以及双凸透镜排出而成；所述聚焦镜组依次由凹凸透镜、平凸透镜以及双凸透镜排布而成。
5.如权利要求1～4任一权利要求所述的一种微孔旋切扫描加工光学系统，其特征在于，摄远比为镜组焦距与镜组光学距离总长之间的比值。
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