CN202824996U

CN202824996U - 一种基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统

Info

Publication number: CN202824996U
Application number: CN2012201695324U
Authority: CN
Inventors: 潘涌; 骆公序; 安博言; 陈俊; 姜兆华; 张伟
Original assignee: Shanghai Institute of Laser Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Laser Technology
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2022-04-20

Abstract

本实用新型公开了一种基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统，包括高光束质量激光输出系统、聚焦镜组、光束扫描系统、调焦机构、加工件吸附定位位移系统和计算机控制系统，其特点是所述光束扫描系统为折射式扫描系统，它包括两片有相同厚度的平行平板，它们相互平行并垂直于激光光路，并被分别安装在两个振镜电机上。振镜电机带动平行平板相对激光光束偏转扫描，使得激光光束通过这两片平行平板后相对原传输光路有一个微小位移。位移值由平行平板与传输光路之间的夹角决定，通过折射式扫描系统快速改变夹角，可以实现激光束在工件上的任意形状微孔成型加工。

Description

一种基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统及方法，属于激光精细加工技术应用领域。

背景技术

激光微孔加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行微钻孔加工，涉及到光、机、电、计算机控制、材料特性及检测等多学科综合技术，在汽车、微电子、光通讯、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广泛应用，改进或取代了某些传统加工方式。目前世界上半导体集成电路产业发展迅猛，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。当前异形微孔成型技术主要应用有：喷气发动机或气轮机叶片冷却孔，动力总成部件的润滑孔，纺织喷丝板，各种衬底材料表面微结构化，汽车喷油嘴各种异形孔，化工及生物制药用过滤网、筛，微创医用植入体，太阳能电池、半导体照明等新兴产业。根据不同的应用，这些微孔具有各种轨迹的几何外形，从圆柱体到圆锥体、槽形或特定外形。传统的机械打孔或冲孔等加工方式已无法满足需求。

目前，激光微孔成型技术主要有三种：固定光束脉冲加工单元微孔、振镜扫描和精确螺旋状钻孔。一、固定光束脉冲加工单元微孔是由固定焦距激光聚焦镜及移动工件来完成，提供了高精度和高准确性，并能得到激光加工光学系统所限的最小微孔直径。但这种方式只能加工圆孔，而且如想得到不同的微孔直径，只能靠改变聚焦镜头焦距来实现。二、振镜扫描定位速度快，由于振镜的高速响应，打数量众多的列阵孔比较合适。而且孔的大小可以很方便地用软件来控制，走出各种事先设定好的轨迹，所以可以加工各种异形孔，比如方孔、三角形孔、星形孔等，但由于振镜电机存在角度分辨率和温漂的问题，在微孔加工时不但轮廓不好，而且不能得到高重复性，因此缺乏在大范围的局部小区域内的高定位精度，在小孔直径小于250微米时不宜采用此方案。三、精确螺旋状钻孔是指通过各种光学元器件使得激光加工光束偏离小孔中心，再由高速电机带动旋转，使得小孔边缘的热效应降到最低，孔径大小和孔的锥度可以由软件来控制，并能实现通孔和盲孔的加工，但只能加工圆孔，无法像振镜扫描一样加工异形孔。

发明内容

本实用新型为了克服现有激光微孔成型技术的缺点，提供一种基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统。

本实用新型的基本原理：平行平板是由二个相互平行的折射平面构成有一定厚度D的光学元件，是个无光焦度器件，不会使物体放大或缩小，在系统中对光焦度无贡献；入射光线经平行平板后出射方向不变，但相对光轴会有一位移量L。假设平行平板折射率为n，其相对激光束光轴的角度为

（图1），根据光学折射定律（snell定律）和三角函数公式推导：

,可得

所以有：

得到：

由此可见，光束位移量L随平行平板与激光束光轴夹角的不同而不同。在实际应用中，平行平板被安装于振镜电机上，替代了原来的反射镜片，平行平板的入光面和出光面均镀有对应激光波长的增透膜，以减少激光束在这两个面上的反射损耗，激光束经平行平板折射传输。振镜电机带动平行平板相对入射光线快速偏转扫描，偏转角决定了光线的轴向位移值。两个平行平板相对入射光线偏转扫描方向互相垂直，因而在工件表面上可以组合出任意形状的激光加工轨迹。

基于上述的基本原理，本实用新型的技术方案是，一种基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统，包括高光束质量激光输出系统、聚焦镜组、光束扫描系统、调焦机构、加工件吸附定位位移系统和计算机控制系统，其特征在于，所述光束扫描系统为一折射式扫描系统，它包括两个平行平板、两个振镜电机以及相应的控制模块，两个平行平板具有相同厚度，其入光面和出光面均镀有对应激光波长的增透膜，两个振镜电机带动平行平板相对入射光束快速偏转扫描，两个平行平板偏转扫描方向互相垂直，它们的组合运动使得激光束在工件表面走出任意形状的加工轨迹，通过振镜电机的控制模块，根据异形微孔激光加工轨迹控制两个平行平板相对入射光束的光轴快速偏转扫描。

所述高光束质量激光输出系统，包括激光器、光束扩束及激光传输系统，采用输出纳秒或更短脉宽的全固态脉冲激光器，采用电脑控制激光的开关信号及调节激光器的输出功率和重复频率，经由扩束镜扩束和激光传输系统的传输至聚焦镜组处。

所述聚焦镜组是使激光平行光束经聚焦镜组聚焦后在加工工件上的光斑达到或接近衍射极限，并使其工作距离长达能使激光聚焦镜组和工件之间的光路中容纳折射式扫描系统。

所述调焦机构，聚焦镜组和折射式扫描系统作为整体由调焦机构调节与加工工件之间的距离，使加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上。

所述加工件吸附定位位移系统，包括加工件安装机构及二维位移平台，安装机构具有定位套准功能，并使加工件的表面水平及平整；微孔加工的中心位置是由高精度的二维工作位移平台来实现，其定位精度及重复定位精度均优于5微米。

所述计算机控制系统包括硬件系统和软件系统，计算机系统中加装运动控制卡，同步控制激光开关、调节激光器输出功率和重复频率、控制平行平板相对入射光轴分别向两个垂直方向的偏转扫描、激光调焦及二维工作位移平台的运动和定位套准，所述的计算机软件系统主要包括：

（1）激光器控制模块：控制激光的开关、调节激光器输出功率和重复频率等工作参数；

（2）振镜扫描控制模块：控制振镜电机带动平行平板分别相对激光光轴的两个垂直方向作偏转扫描；

（3）调焦模块：控制调焦机构调节激光聚焦镜组与加工工件之间的距离，保证加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上；

（4）位移控制模块：控制高精度二维工作位移平台定点移动，实现微孔列阵中心点位置的确定。

本实用新型的有益效果是，既保留了振镜扫描定位速度快，加工轨迹控制简便，可以实现各种异形孔加工的优势；又通过折射式光学元件组将传统反射式振镜扫描系统的几十毫米的加工范围精确缩微至几百微米，这种百倍级的光学缩微系统大幅度降低了高速振镜电机的角度分辨率、热漂移、零点漂移带来的影响，从而保证了激光加工的高精度定位和重复性。

附图说明

图1为平行平板折射原理图；

图2为本实用新型系统原理框图；

图3为折射式扫描系统结构示意图。

具体实施方式

本实用新型中所用激光器采用DPSS激光器即半导体泵浦固体激光器，由图2和图3所示，DPSS激光器1输出受控的高重复频率超短脉冲激光，经过扩束镜2扩束准直并通过光路传导及反射3进入聚焦镜组4，平行光经聚焦镜组4会聚在工件20表面附近；两个有相同厚度的平行平板15a、15b平行放置并与入射光光轴垂直，它们被分别安装在两个振镜电机16a、16b上，振镜电机16a、16b带动平行平板15a、15b相对入射激光光束快速偏转扫描，两个平行平板15a、15b的偏转扫描方向互相垂直，它们的组合运动在工件表面上走出任意形状的加工轨迹。平行平板15a、15b和振镜电机16a、16b组成折射式扫描系统10，折射式扫描系统10与聚焦镜组4通过调焦机构5调节它们与加工工件之间的距离，使平行的激光束在加工面附近聚焦形成一个细微的、高能量密度焦斑，以瞬间高温熔化或汽化工件20。振镜控制模块7控制折射式扫描系统的偏转扫描运动。工件20安装在高精度二维位移平台6上，微孔的中心位置由位移平台6运动决定。

实施例

采用高光束质量DPSS激光器，波长为1.06微米，平均功率输出10W，重复频率40KHz，脉冲宽度为8ns。输出光束扩束5倍，聚焦透镜组焦距为100mm，聚焦光斑直径小于10微米。采用普通的光学玻璃制作平行平板，其折射率为1.5，厚度为2.6mm。当振镜电机扫描光学偏角为±12⁰时，激光束的平移偏值为0.185mm，亦即通过这样的折射式扫描系统，激光束可以在370μm×370μm的范围内扫描加工任意形状的异形微孔。

Claims

1.一种基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统，包括高光束质量激光输出系统、聚焦镜组、光束扫描系统、调焦机构、加工件吸附定位位移系统和计算机控制系统，其特征在于，所述光束扫描系统为一折射式扫描系统，它包括两个平行平板、两个振镜电机以及相应的控制模块，两个平行平板具有相同厚度，其入光面和出光面均镀有对应激光波长的增透膜，两个振镜电机带动平行平板相对入射光束快速偏转扫描，两个平行平板偏转扫描方向互相垂直，它们的组合运动使得激光束在工件表面走出任意形状的加工轨迹，通过振镜电机的控制模块，根据异形微孔激光加工轨迹控制两个平行平板相对入射光束的光轴快速偏转扫描。

2.根据权利要求1所述的基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统，其特征在于，所述高光束质量激光输出系统，包括激光器、光束扩束及激光传输系统，采用输出纳秒或更短脉宽的全固态脉冲激光器，采用电脑控制激光的开关信号及调节激光器的输出功率和重复频率，经由扩束镜扩束和激光传输系统的传输至聚焦镜组处。

3.根据权利要求1所述的基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统，其特征在于，所述聚焦镜组是使激光平行光束经聚焦镜组聚焦后在加工工件上的光斑达到或接近衍射极限，并使其工作距离长达能使激光聚焦镜组和工件之间的光路中容纳折射式扫描系统。

4.根据权利要求1所述的基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统，其特征在于，所述调焦机构，聚焦镜组和折射式扫描系统作为整体由调焦机构调节与加工工件之间的距离，使加工面位于激光聚焦镜组的焦平面上。

5.根据权利要求1所述的基于折射式扫描系统的激光异形微孔的加工系统，其特征在于，所述加工件吸附定位位移系统，包括加工件安装机构及二维位移平台，安装机构具有定位套准功能，并使加工件的表面水平及平整；微孔加工的中心位置是由高精度的二维工作位移平台来实现，其定位精度及重复定位精度均优于5微米。