CN202199930U - 一种基于电光效应的加工微圆孔的激光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器和一个待加工的工件，在所述激光器出射激光束面上设有一块平面反射镜，在平面反射镜与激光器之间设置有扩束器；所述沿平面反射镜反射激光束下方分别依次设置有两块互相垂直设置的电光晶体，两块电光晶体下方依次设置有聚焦镜和待加工件；所述两块电光晶体分别与电压驱动电连接。该装置通过两个互相垂直设置的电光晶体，控制水平和垂直设置的电光晶体输入电压的正余弦函数变化，改变出射光束的偏转角，实现出射光束扫描出微圆孔。本实用新型与现有技术相比，具有高速、高稳定的特点，其扫描速度快，可控性好。

Description

一种基于电光效应的加工微圆孔的激光扫描装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，特别是一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置。

背景技术

激光微孔加工在汽车、微电子，航天航空，生物医学，太阳能及燃料电池新能源等高新技术产业领域有着广泛应用。其加工切面整齐，无微裂纹和冶金缺陷，加工速度快，效率高，有着传统的机械加工，以及电火花加工所无法比拟的优越性。目前世界上半导体集成电路产业发展迅速，计算机，手机电路板，便携式消费电子产品采用高密度多层PCB，体积紧凑并向小型化发展；半导体芯片制作，测试和封装要求不断提高，其结构更加紧凑，外形体积不断缩小，传统的钻孔方法已无法满足需求。

现有的激光加工微孔的方法有固定光束单脉冲加工单元微孔，振镜扫描，工件旋转打孔和旋转双光楔扫描。

①固定光束单脉冲加工单元微孔可以得到激光加工光学系统所限的最小微孔直径，但是要想得到不同的微孔直径，只能通过换聚焦镜头来实现。②振镜扫描加工微孔，其定位速度很快，因其的高速响应，很适合打数量比较多的阵列孔。但是振镜扫描的方法在大范围的局部小区域内缺乏高速的定位精度，因此在小孔的直径小于250um时不宜采用该方法。另外，在激光精细加工时，经常把激光光束扩束以达到聚焦光点足够小的目的，此时，振镜反射片尺寸相对较大，会影响系统的响应频率和加工效率。③工件高速旋转加工微孔是采用固定光束聚焦，工件高速旋转，旋转轴偏离加工光轴，调节偏离距离课得到不同尺寸的小孔。由于工件旋转时惯量大，故此方法只能打单一孔，只能用于在小的圆形通轴零件上加工单个微孔的场合。④旋转双光楔扫描，是利用两个完全相同的光楔相对旋转，产生一个动态的单一楔角，使得光束动态偏转角度，同时再整体旋转，出射光束经聚焦物镜聚焦后扫描加工出半径可调的圆孔，其加工精度与电机的控制精度密切相关，光束通过两个光楔其能量损耗相对较大。

实用新型内容

本实用新型的的目的是提供一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，该装置通过两个互相垂直设置的电光晶体，通过控制水平和垂直设置的电光晶体输入电压的正余弦函数变化，改变出射光束的偏转角，实现出射光束扫描出微圆孔。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器和一个待加工的工件，其特征在于，在所述激光器出射激光束面上设有一块平面反射镜，在平面反射镜与激光器之间设置有扩束器；所述沿平面反射镜反射激光束下方分别依次设置有两块互相垂直设置的电光晶体，两块电光晶体下方依次设置有聚焦镜和待加工件；所述两块电光晶体分别与电压驱动电连接。

本实用新型的进一步特征在于：

所述两块电光晶体分别为垂直设置的电光晶体和水平设置的电光晶体，且垂直设置的电光晶体置于水平设置的电光晶体的上方。

所述每块电光晶体是由两块KDP楔形棱镜组成的双KDP楔形棱镜偏转器。

所述平面反射镜与激光器出射激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为45°。

所述扩束器与激光器出射激光束成水平设置。

本实用新型激光微孔扫描装置，激光器发出激光束，经过扩束器准直后，水平入射到45度平面反射镜，再入射到两个互相垂直放置的电光晶体中，通过控制水平和垂直设置的电光晶体输入电压的正余弦函数变化，改变出射光束的偏转角，实现出射光束扫描出微圆孔。本实用新型与现有技术相比，具有高速、高稳定的特点，其扫描速度快，可控性好。

本装置具有下述特点：

1、能够解决采取固定光束单脉冲加工方式、通过更换聚焦镜头来得到不同的微孔直径的缺陷，其加工无需更换聚焦镜头，改变出射光束的偏转角，即可实现出射光束扫描出微圆孔。

2、能够解决采取振镜扫描加工微孔在大范围的局部小区域内缺乏高速的定位精度、振镜尺寸相对较大、响应频率和加工效率低的问题。

3、能够解决采取工件高速旋转加工微孔存在旋转轴偏离加工光轴、只能打单一孔的缺陷，该装置易于控制，结构简单，容易实现。

4、能够解决采取旋转双光楔机械旋转控制相对较难的问题，其加工精度高，应用范围广。

附图说明

图1是本实用新型实施例结构示意图；

图2是本实用新型光束通过光楔的偏转原理示意图；

图3是本实用新型电光效应偏转原理示意图。

图中：1、激光器；2、扩束器；3、45度平面反射镜；4、垂直放置的电光晶体；5、水平放置的电光晶体；6、聚焦镜；7、待加工件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，该基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器1和一个待加工的工件7，其中，在所述激光器1出射激光束面上设有一块平面反射镜3，在平面反射镜3与激光器1之间设置有扩束器2；所述沿平面反射镜3反射激光束下方分别依次设置有两块互相垂直设置的电光晶体，两块电光晶体下方设置依次设置有聚焦镜6和待加工件7；所述两块电光晶体分别与电压驱动电连接。

在本实施例中，两块电光晶体分别为垂直设置的电光晶体4和水平设置的电光晶体5，且垂直设置的电光晶体4置于水平设置的电光晶体5的上方。

在本实施例中，平面反射镜3与激光器1出射激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为45°。

在本实施例中，扩束器2与激光器1出射激光束成水平设置。

本实用新型的电光晶体是由两块KDP楔形棱镜(光楔)组成的双KDP楔形棱镜偏转器。

如图2所示，给出了本实用新型光束通过光楔的偏转原理示意图。因外加电场使介质光学性质发生变化的效应称为电光效应。基于此效应可以实现电光偏转，电光偏转技术应用非常广泛。电光偏转的原理与光束通过玻璃光楔的偏转原理相关，如图2所示，激光束通过光楔后入射波前从水平变为偏转θ角的透射波前，透射波波阵面的偏角θ由下式决定：

$\mathrm{\θ}\≈(n-1)\frac{l}{D}=\frac{l}{D}\mathrm{\Δn}$ (n＞1，为光楔楔角)

电光偏转就是来源于光束通过光楔的偏转原理。图3是由两块KDP楔形棱镜组成的双KDP楔形棱镜偏转器，棱镜沿垂直纸面的方向外加电压，两块棱镜的光轴方向相反，光线沿水平方向入射，其振动方向平行与纸面垂直于入射方向，则光在下面棱镜中的折射率为：

在上面棱镜中，由于电场与该棱镜的光轴方向相反，所以折射率为

因此上下光的折射之差为

光束穿过偏振器后的偏角： $\mathrm{\θ}=\frac{l}{D}\mathrm{\Δn}=\frac{l}{D}{n}_o^3{r}_{63}{E}_z=\frac{l}{\mathrm{Dh}}{n}_o^3{r}_{63}V,$ h为晶体的宽度，由此可见，当外加电压变化时，偏转角就成比例地随着变化，从而控制光线的传播方向。

如图1所示，分别用两个电光晶体，一个垂直放置，一个水平放置，给垂直放置的电光晶体输入电压为V_y，水平放置的电光晶体输入电压为V_x。

令：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_x=A\sin \mathrm{\α}\\ V_y=A\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

则：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_x={\mathrm{KV}}_x=A\sin \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\θ}}_y={\mathrm{KV}}_y=A\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.,$ ( $K=\frac{l}{\mathrm{Dh}}{n}_o^3{r}_{63},$ A为电压输入幅度)

由上式可推出： ${\mathrm{\θ}}_x^2+{\mathrm{\θ}}_y^2=A^2$

即，通过电压的正余弦输入可进行半径可调的圆扫描。

如图1所示的激光微孔扫描装置，激光器1发出激光束，经过扩束器2准直后，水平入射到45度平面反射镜3，再入射到两个电光晶体中，最终通过聚焦镜6聚焦，电控输入可调振幅的电压，则可扫描出微圆孔。

Claims (5)

1.一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器(1)和一个待加工的工件(7)，其特征在于，在所述激光器(1)出射激光束面上设有一块平面反射镜(3)，在平面反射镜(3)与激光器(1)之间设置有扩束器(2)；所述沿平面反射镜(3)反射激光束下方分别依次设置有两块互相垂直设置的电光晶体，两块电光晶体下方依次设置有聚焦镜(6)和待加工件(7)；所述两块电光晶体分别与电压驱动电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述两块电光晶体分别为垂直设置的电光晶体(4)和水平设置的电光晶体(5)，且垂直设置的电光晶体(4)置于水平设置的电光晶体(5)的上方。

3.根据权利要求1所述的一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述每块电光晶体是由两块KDP楔形棱镜组成的双KDP楔形棱镜偏转器。

4.根据权利要求1所述的一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述平面反射镜(3)与激光器(1)出射激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为45°。

5.根据权利要求1所述的一种基于电光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述扩束器(2)与激光器(1)出射激光束成水平设置。 

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