CN203817621U - 一种激光分束振镜扫描加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光加工领域，特别涉及一种激光分束振镜扫描加工装置。包括光束控制模块、激光分束模块和振镜扫描聚焦模块。本实用新型的激光分束振镜扫描加工装置通过激光分束模块能将单束激光加工变为多束激光，同时通过振镜扫描聚焦模块可以进行激光焦点的高速切换，而上述两个模块的结合，实现了高速高效高精度阵列式激光加工；也可以通过增加的光束控制模块，进一步丰富了激光加工中的光束运动轨迹控制内容，可以满足各种加工环境、加工条件的需求。相比传统激光加工，本实用新型的技术方案在加工精度、加工效率、加工质量等方面均有大幅度提高，并同现代固态激光器的发展趋势相适应，可以在激光加工领域广泛使用。

Description

一种激光分束振镜扫描加工装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，特别涉及一种激光分束振镜扫描加工装置。 

背景技术

现有技术中，配置振镜扫描聚焦的激光加工装置，都是采用单光束激光加工，加工效率不够高，满足不了工业需求；而采用多光束激光加工的装置，都是基于静态聚焦方式，存在激光焦点切换位置速度慢的问题。而目前的固体激光器特别是光纤激光器，都朝着高脉冲重复频率、高功率超短脉宽方向发展，上述的加工方式，已经不能够与目前固体激光器的发展想匹配，不能够充分发挥现有激光器的高脉冲重复频率和高功率超短脉宽的优势，必须找到更高效的激光加工方式，与目前的激光器发展水平相匹配。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种激光分束振镜扫描加工装置，解决了现有技术中激光加工装置加工效率低、加工速度慢的技术问题。 

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：包括光束控制模块、激光分束模块和振镜扫描聚焦模块，入射光束依次经过所述光束控制模块、所述激光分束模块照射到所述振镜扫描聚焦模块；或者入射光束依次经过所述激光分束模块、所述光束控制模块照射到所述振镜扫描聚焦模块； 

所述光束控制模块用于调节照射到其上的激光光束的状态；所述光束控制模块包括激光扩束单元，所述激光扩束单元用于对所述照射到其上的激光 光束进行扩束准直；或者所述光束控制模块包括所述激光扩束单元和光束动态控制单元，所述光束动态控制单元用于调节照射到其上的激光光束的运动状态； 

所述激光分束模块，用于对照射在其上的激光光束进行分束，形成多光束组，所述多光束组内的各光束与照射到所述激光分束模块上的所述激光光束保持同步静止或者同步运动； 

所述振镜扫描聚焦模块，包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜；或者包括扫描振镜、扫描平场聚焦镜和运动平台，所述运动平台为一维或者多维运动平台；所述扫描平场聚焦镜用于对从所述扫描振镜输出的多光束组的各光束进行聚焦形成聚焦光束组，所述扫描振镜用于控制所述聚焦光束组的各个激光焦点在不同加工单元之间的空间位置高速切换，或者在一个加工单元处对所述聚焦光束组的各个激光焦点扫描运动进行辅助运动控制；所述一维或者多维运动平台用于承载加工工件以及完成加工区域的切换，或在一个加工单元处对所述聚焦光束组的各个激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过所述振镜扫描聚焦模块、所述激光分束模块与所述光束控制模块的结合，可以实现多光束激光进行同步聚焦加工，并对激光焦点在不同的加工单元进行快速切换，大幅提高激光加工效率与质量；或在一个加工单元处，对激光焦点进行辅助运动控制，进一步丰富了激光束空间轨迹调制，实现更复杂激光加工方式。本实用新型的技术方案可用于激光切割、钻孔、铣削、焊接等应用。若所述光束控制模块包括光束动态控制单元，则可以实现在入射光束分光前或分光后对所述照射到其上的激光光束的运动状态进行高速高精度调制，从而进行更为高效率和高精度的多路激光聚焦同步加工，更大幅度地提高了加工效率。 

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。 

进一步，所述激光分束模块为第一分束单元、第二分束单元、第三分束 单元的任意一种；或者所述激光分束模块为第一分束单元、第二分束单元、第三分束单元中至少两种的串联组合，所述串联组合用于对照射到其上的激光光束进行分束，形成多光束组； 

所述第一分束单元为微光学元件的任意一种或者多种的串联组合，所述微光学元件用于对照射在其上的激光光束进行分光；所述微光学元件包括二元光学元件、衍射光栅、微透镜阵列或全息光学元件；所述衍射光栅包括一维透射式衍射光栅、二维透射式衍射光栅、三维透射式衍射光栅或反射式光栅； 

所述第二分束单元为光学薄膜分光器件与光学反射镜的串联组合；或者所述第二分束单元为光学薄膜分光器件、光学反射镜和玻片的串联组合； 

所述第三分束器件为双折射晶体与光学反射镜的串联组合；或者所述第三分束单元为双折射晶体、光学反射镜和玻片的串联组合。 

所述的微光学元件，是在光学和光电子技术的发展的上，研发出的新型光学元件，具有体积小、质量轻、造价低等优点，实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。所述的微光学元件，按照光传播的途径可分为衍射光学元件和折射性光学元件两大类，包括二元光学元件、衍射光栅、微透镜阵列或全息光学元件，应用在激光光学领域可以改变激光光束波面，实现光束变换，如光束的准直、整形、分束等等。 

所述二元光学元件，为衍射光学元件的一种，它基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现的衍射光学元件，其衍射效率高，光束整形效果好,分束均匀性好。 

所述光栅，也称衍射光栅，主要有四个基本性质:色散、分束、偏振和相位匹配，光栅的绝大多数应用都是基于这四种特性。光栅的分束特性是指光栅能够将一束入射单色光分成多束出射光的本领，分为反射衍射光栅和透 射衍射光栅两大类，可以应用在光互连、光藕合、均匀照明、光通讯、光计算等领域。光栅的性能评价指标有:衍射效率、分束比、压缩比、光斑非均匀性以及光斑模式等。所述透射式衍射光栅分束器可以大致分为一维透射式衍射光栅、二维透射式衍射光栅、三维透射式衍射光栅，所述一维透射式衍射光栅对激光分束，分束后的激光束在同一平面内；所述二维透射式衍射光栅对激光分束，分束后的激光束不在同一平面内，所分光束可以矩形阵列分布，可以圆周阵列分布也可以在正交的两个平面内分布等；所述三维透射式衍射光栅，分束后的激光束不仅是二维空间阵列分布，且随着激光传输方向，并经过激光聚焦后，可以呈现长焦深或者短焦深特点。 

所述微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分,每一部分都被相应的小透镜聚焦在焦平面上,一系列微透镜就可以得到由一系列焦点组成的平面，在波前传感、光聚能、光整形等多种系统可得到广泛应用，在本加工装置中，具备很好的分光效果。 

所述全息光学元件采用全息照相方法制作，其基于光的干涉和衍射原理，能够完成准直、聚焦、成像、分束、光束偏转和光束扫描等功能，在本实用新型的加工装置中，具有较好的分光效果。 

进一步，所述激光分束模块与所述振镜扫描聚焦模块的间距可调，能够调整所述多光束组内各光束在扫描平场聚焦镜入口处的相对位置，从而可以调整所述聚焦光束组各激光焦点的相对位置；所述激光分束模块绕着照射其上的激光束的光轴转动，其输出的阵列光束分布也会沿着所述激光束的光轴转动，即所述激光分束模块的分光面根据所述激光分束模块的转动而变化。 

进一步，所述激光分束振镜扫描加工装置包含一个或多个串联的光束动态控制单元。 

所述光束动态控制单元为第一控制子单元、第二控制子单元、第三控制 子单元、第四控制子单元的任意一种；或者所述光束动态控制单元为第一控制子单元、第二控制子单元、第三控制子单元、第四控制子单元中至少两种的串联组合，所述串联组合用于调节照射到其上的激光光束的运动状态； 

所述第一控制子单元包括透射光学元件以及用于控制所述透射光学元件进行摆动或者平移的电机或压电陶瓷； 

所述第二控制子单元包括反射光学元件以及用于控制所述反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷； 

所述第三控制子单元包括声光调制器，所述声光调制器通过改变驱动源的载波频率调节所述激光光束的布拉格光栅反射角，改变所述激光光束传输状态； 

所述第四控制子单元包括一个激光光束旋转子单元或者至少两个串联的激光光束旋转子单元；所述激光光束旋转子单元包括旋转透射光学元件以及用于控制所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置；当所述第三控制子单元为两个或两个以上串联的激光光束旋转子单元时，所述激光光束旋转子单元各自独立控制旋转，所述前一激光光束旋转子单元输出光束的光轴沿着其入射光的光轴进行自转，后一激光光束旋转子单元的输出光束的光轴沿着前一激光光束旋转子单元输出光束的光轴进行公转，并且还沿着公转轨迹进行自转。 

采用上述进一步方案的有益效果是：对于所述光束动态控制单元，可以为上述子单元的任意一种或几种的串联组合。如果采用压电陶瓷驱动反射镜的方式，即采用压电陶瓷振镜的方式，可以高速动态改变所述照射到其上的激光光束的运动轨迹，适合于在同一工件上面进行不同大小的通孔、盲孔、通槽、盲槽等形状的激光铣削钻孔加工，并且孔或槽的尺寸大小可以根据实际需要进行动态调节。 

如果采用激光光束旋转子单元，则可以通过驱动电机对入射光束进行高 速甚至超高速旋转控制，相比振镜摆动的方式，具有更高的加工速度和加工精度，在很多加工阈值低的材料或者薄膜材料的加工中，可以大幅提高激光加工效率与质量。 

进一步，所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片；所述旋转透射光学元件为楔形棱镜、透镜、平板光学元件、一维透射式衍射光学元件、二维透射式衍射光学元件、三维透射式衍射光学元件、微透镜阵列的任意一种或者多种的串联组合。 

所述透射式衍射光学元件分为一维透射式衍射光学元件、二维透射式衍射光学元件、三维透射式衍射光学元件，所述一维透射式衍射光学元件对激光分束，分束后的激光束在同一平面内；所述二维透射式衍射光学元件对激光分束，分束后的激光束不在同一平面内，所分光束可以矩形阵列分布，可以圆周阵列分布也可以在正交的两个平面内分布，以及其他情形空间分布等；所述三维透射式衍射光学元件，分束后的激光束不仅是二维空间阵列分布，且随着激光传输方向，并经过激光聚焦后，每一束激光聚焦时可以呈现长焦深或者短焦深特点。 

进一步，所述激光光束旋转子单元的驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的主轴上，所述电机主轴为空心轴；或者 

所述激光光束旋转子单元的驱动装置为电机皮带传动装置，所述电机皮带传动装置包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在所述主动轮上，所述旋转透射光学元件固定安装在所述从动轮上。 

进一步，所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机、磁浮空心主轴电机、液压空心主轴电机或伺服空心主轴电机。 

当空心电主轴电机的空心电主轴安装在气浮轴承上，该空心电主轴电机 也称为气浮空心电主轴电机，所述气浮轴承是指通过在轴承腔内导入压力空气实现空心电主轴在空气中悬浮的轴承。所述气浮轴承轴承腔内泄压的缝隙极小，保证了空心电主轴的高精度悬浮转动，并可以稳定地高精度地旋转，具备高转速、高精确度、无摩擦力、无磨损、不需要润滑油、有卓越的速度控制性能、结构紧凑、重量轻、振动小、噪声低、惯性小响应快等优点。 

当空心电主轴电机的空心电主轴安装在液体动静压轴承上，该空心电主轴电机也称为液压空心电主轴电机。所述液体动静压轴承是指一种靠外部供给恒定压力油、在轴承内建立使电主轴从起动到停止始终悬浮高压静压承载油膜的轴承。所述液体动静压轴承具有没有磨损、使用寿命长、起动功率小、在极低，甚至为零的速度下也能应用的特点。此外，这种轴承还有旋转精度高、油膜刚度大、能抑制油膜震荡等优点。所述液压空心电主轴电机，由于采用了液体动静压轴承，因此具备很高的刚度和阻尼，具备较高转速和使用寿命。 

当空心电主轴电机的空心电主轴安装在电磁悬浮轴承上，该空心电主轴电机也称为磁浮空心电主轴电机。所述电磁悬浮轴承是一种利用电磁力将电主轴悬浮于空间实现非接触式支承的轴承,具有无摩擦、无需润滑、无油污染、能耗低、噪声小、寿命长等优点,特别适用于真空、超静室、高速等特殊环境中。所述磁浮空心电主轴电机，由于采用电磁悬浮轴承，因此具备高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控等优点。 

当空心电主轴电机的空心电主轴安装在陶瓷轴承上，该空心电主轴电机也称为陶瓷轴承空心电主轴电机。所述陶瓷轴承是指轴承的滚动体使用陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈的轴承，陶瓷轴承标准化程度高，在满足一定转速的条件下，具备成本低结构简单的优点。所述陶瓷轴承空心电主轴电机的空心电主轴安装在陶瓷轴承上，该陶瓷轴承的转速可达每分钟一万转以上。 

进一步，所述扫描平场聚焦镜为远心平场扫描聚焦镜；所述振镜扫描聚 焦模块配置光路同轴摄像头监控装置。 

采用上述进一步方案的有益效果是：配置光路同轴摄像头监控装置，可以很方便的进行激光焦点位置的定位，并在激光加工过程中可以很方便地观察激光与材料相互作用的状态。 

进一步，所述聚焦光束组中各个光束的垂直于光轴的各个焦点光斑的横截面为椭圆形。 

采用上述进一步方案的有益效果是：如果椭圆聚焦光斑的长轴方向为激光焦点运动方向，那么当激光脉冲重复频率一定时，可以提高激光划片速度、脉冲重叠度、切缝断面光滑程度；如果椭圆聚焦光斑的短轴方向为激光焦点运动方向，那么可以获得比较宽的切缝，在有些激光加工场合，宽的切缝有利于激光切割钻孔产生的材料熔渣有效地从切缝中喷出。 

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图； 

图2为本实用新型实施例2的结构示意图； 

图3为本实用新型实施例3的结构示意图； 

图4为本实用新型实施例4的结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。 

本实用新型的激光分束振镜扫描加工装置在进行激光聚焦与切换前，采用光束控制模块的激光扩束单元对入射光束进行扩束准直，并采用激光分束模块对所述光束控制模块输出的激光光束进行分束，或者先采用激光分束模块对入射光束进行分束，分束后的光束组的各光束再经光束控制模块的激光 扩束单元进行扩束准直，从而实现对工件的多路激光同步加工。由于经过所述激光分束模块进行分束后的各光束的夹角受限，例如经衍射光栅分束后，各光束的夹角就很难做的较大，例如达到30度，一般都在10度以内，所以激光分束模块与振镜扫描聚焦模块之间需要保留一定空间用于各激光光束的分离，如果把所述光束控制模块置于所述激光分束模块和所述振镜扫描聚焦模块之间，则整个装置结构会更为紧凑。 

若所述光束控制模块中设置有光束动态控制单元，则可通过对照射到其上的激光光束进行高速高精度运动调制控制，配合振镜扫描的快速切换能力或者平台运动的高精度位移能力，就能完成更加高精度和高效率激光加工。此时，所述光束动态控制单元与所述激光扩束单元位置可互换，当所述激光扩束单元设置在所述光束动态控制单元之后时,所述激光扩束单元在完成激光扩束准直的同时，也完成了将经过所述光束动态控制单元调制后的激光运动轨迹成像放大的工作，这样，在一定进入振镜扫描聚焦模块的光束运动轨迹前提下，所述光束动态控制单元只需要进行很小的调制即可，这样所述光束动态控制单元调制速度可以进一步提高。 

若控制所述各聚焦光束的垂直于光轴的焦点光斑的横截面为椭圆形，则非常适合于激光划线。 

本实用新型的工作原理如下：入射光束经光束控制模块的激光扩束单元进行扩束准直后，形成第一光束，所述第一光束照射到所述激光分束模块中，形成第二光束组，所述第二光束组内的各光束与所述入射光束、第一光束同步静止；或者入射光束先经激光分束模块分束后，形成第一光束组，所述第一光束组的各光束经光束控制模块进行扩束准直后，形成第二光束组，所述第一光束组、第二光束组的各光束与所述入射光束同步静止。所述第二光束组的各光束照射到所述振镜扫描聚焦模块，通过所述振镜扫描聚焦模块对各光束进行聚焦和高速位移切换，控制各激光焦点在不同加工单元之间进行切 换或在一个加工单元处对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制，达到对工件进行大范围、高速高质量激光加工的目的，非常适合于阵列盲槽或者盲孔激光铣削加工，或者阵列微孔钻孔甚至激光焊接、激光精密切割等激光加工领域。 

当所述光束控制模块包括光束动态控制单元时，照射到其上的激光光束经所述光束动态控制单元调节状态，所述状态包括光束运动状态、光束偏振状态和激光光束传输状态等，如光束偏转、光束平移或者旋转。入射光束经光束控制模块进行扩束准直和运动状态调节后，形成第一光束，所述第一光束照射到所述激光分束模块中，形成第二光束组，所述第二光束组内的各光束与所述入射光束、第一光束同步运动；或者入射光束经激光分束模块分束后，形成第一光束组，所述第一光束组的各光束经光束控制模块进行扩束准直和运动状态调节后，形成第二光束组，所述第一光束组、第二光束组的各光束与所述入射光束同步运动；所述第二光束组的各光束照射到所述振镜扫描聚焦模块，通过所述振镜扫描聚焦模块对各光束进行聚焦和高速位移切换，控制各激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制，达到对工件进行大范围、高速高质量激光加工的目的，非常适合于阵列盲槽或者盲孔激光铣削加工，或者阵列微孔钻孔甚至激光焊接、激光精密切割等激光加工应用。 

光束动态控制单元可以采用激光光束旋转子单元、压电陶瓷驱动反射镜等结构。所述激光光束旋转制子单元的结构通常采用电机带动旋转透射光学元件的方式，所述电机可为气浮空心主轴电机、磁浮空心主轴电机、液压空心主轴电机或伺服空心主轴电机，例如气浮主轴电机转速可达16万转/秒，实现高速甚至超高速旋转，满足实际大量加工需求。此时，旋转透射光学元件旋转速度在5000转/分钟到5万转/分钟为高速，在5万转/分钟以上为超高速。如果采用压电陶瓷驱动反射镜这种结构，那么所述第一光束的摆动调 制频率可达5000赫兹以上。因此，入射光束经过所述光束动态控制单元调制和所述激光分束模块分光后，可以实现高速多路激光运动。 

所述激光分束振镜扫描加工装置可以应用在不锈钢导光板掩模激光打点、硅片钻孔、不锈钢滤网钻孔、氮化铝陶瓷激光铣削盲孔等各种领域，具体在以下各实施例中具体说明。 

实施例1 

图1为所述激光分束振镜扫描加工装置在不锈钢导光板掩模激光打点中运用的结构示意图，如图1所示：本实施例的不锈钢导光板掩模激光打点装置包括入射光束1、光束控制模块、激光分束模块3和振镜扫描聚焦模块，所述待加工工件14为200微米厚度不锈钢片。 

所述光束控制模块包括激光扩束单元2，所述振镜扫描聚焦模块包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜。所述扫描平场聚焦镜有普通平场扫描聚焦镜和远心平场扫描聚焦镜等类型，本实施例中，所述扫描平场聚焦镜采用远心平场扫描聚焦镜12，所述远心扫描聚焦镜12的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米。所述扫描振镜包括第一振镜扫描反射镜片9和第二振镜扫描反射镜片6，所述第一振镜扫描反射镜片9安装在所述扫描振镜的第一电机11的电机主轴10上；所述第二振镜扫描反射镜片6安装在所述扫描振镜的第二电机的电机主轴5上。本实施例中，所述第一振镜扫描反射镜片9和第二振镜扫描反射镜片6均通过电机驱动，在其他优选实施例中，还可以采用压电陶瓷的方式进行驱动第一振镜扫描反射镜片9和第二振镜扫描反射镜片6进行协调摆动。优选的，所述振镜扫描聚焦模块可以配置光路同轴摄像头监控装置。 

本实施例中，所述入射光束1为直径为7毫米的入射光束，其相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频 率10千赫兹。 

本实施例中，所述激光分束模块3为一维透射式衍射光栅，分束比设计为1分4，相邻衍射角度1度，通过扫描振镜的第一振镜扫描反射镜片9和第二振镜扫描反射镜片6的协调动作，可以实现四路激光同时对待加工工件14进行激光加工。在其他优选实施例中，所述激光分束模块3可以由一个或者多个衍射元件串联组成，也可以采用二维甚至多维衍射分束元件替代，还可以由分立的光学元件构成，例如薄膜分光元件与反射镜组合，或者双折射晶体与反射镜、玻片的组合等。 

本实施例的光路流程如下：入射光束1经激光扩束单元2后形成第一光束，第一光束经透射式衍射光栅后，得到第二光束组4，所述第二光束组4经扫描振镜第一振镜扫描反射镜片9后形成第三光束组8，所述第三光束组8经扫描振镜的第二振镜扫描反射镜片6形成第四光束组7，所述第四光束组7经远心平场扫描聚焦镜12进行聚焦，得到聚焦光束组13，所述聚焦光束组13直接作用于待加工工件14上。优选的，所述聚焦光束组13中各个光束的垂直于光轴的各个焦点光斑的横截面为椭圆形。在所述待加工工件14表面打出系列火山口凹坑形成模板，将塑料薄片在该模板上压印，即可在所述塑料模板上压出凹坑，可以用于手机显示屏下方的导光板等。本实施例可以4路激光同时工作，大大提高了激光加工效率。如果选用分光比更大的衍射分光元件，甚至是二维衍射分光元件，衍射出系列阵列分布的激光束，那么本实施例加工效率会进一步提高。 

在其他实施例中，还可以把所述待加工工件14置于移动平台上(图中没有标示)，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米×200毫米的通常称为大面积。 

改变所述激光分束模块3和振镜扫描聚焦模块的距离，可以改变所述聚焦光束组13内各激光焦点的位置关系，例如间距大小。 

实施例2： 

图2为本实用新型一种激光分束振镜扫描加工装置在硅片钻孔中应用时的结构示意图，如图2所示：包括光束控制模块、激光分束模块和振镜扫描聚焦模块，所述待加工工件34为200微米厚度多晶硅硅片，固定安装在线性移动平台上。 

本实施例的光束控制模块包括激光扩束单元19和光束动态控制单元。 

本实施例的入射光束18为直径为10毫米的入射扩束准直光束，其相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率35瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率50千赫兹。 

本实施例的所述光束动态控制单元包括一个激光光束旋转子单元，所述激光光束旋转子单元包括旋转透射光学元件和用于带动所旋转述透射光学元件做旋转运动的驱动装置。优选的，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜、透镜、平板光学元件、衍射体光栅、微透镜阵列的任意一种或者多种组合。本实施例中，所述旋转透射光学元件为平板石英玻璃20，所述平板石英玻璃20厚度为6毫米，折射率为1.45，两面均镀有532纳米的增透膜。所述驱动装置可为空心主轴电机或电机皮带传动装置。若驱动装置为空心主轴电机，则可为气浮空心主轴电机、磁浮空心主轴电机、液压空心主轴电机或伺服空心主轴电机，本实施例中采用气浮空心主轴电机，所述平板石英玻璃20倾斜固定在所述气浮空心主轴电机的空心主轴21上，气浮主轴21内孔直径15毫米，气浮主轴电机转速18万转/分钟。若所述驱动装置采用电机皮带传动装置，所述电机皮带传动装置包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在所述主动轮上，所述平板石英玻璃20固定安装在所述从动轮上。 

在其他实施例中，所述光束动态控制单元也可以由至少两个激光光束旋 转子单元构成，所述激光光束旋转子单元各自独立控制旋转，前一激光光束旋转子单元的输出光束光轴沿着其入射光束的光轴进行自转，后一激光光束旋转子单元的输出光束的光轴沿着前一激光光束旋转子单元的输出光束的光轴进行公转，并且还沿着公转轨迹进行自转。 

所述激光分束模块为透射式衍射光栅23，激光分束比设计为1分4，相邻衍射角度1度。在其他优选实施例中，所述激光分束模块可以由一个或者多个衍射元件串联组成，也可以采用二维甚至多维衍射分束元件替代，还可以由分立的光学元件构成，例如薄膜分光元件与反射镜组合，或者双折射晶体与反射镜、玻片的组合等。 

本实施例中，所述振镜扫描聚焦模块为振镜扫描聚焦单元，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜。所述扫描平场聚焦镜有普通平场扫描聚焦镜和远心平场扫描聚焦镜等类型，本实施例中，所述扫描平场聚焦镜采用远心平场扫描聚焦镜32，所述远心平场扫描聚焦镜32的焦距为256毫米，平场聚焦范围156毫米×156毫米。所述扫描振镜包括第一扫描振镜扫描镜片29和第二扫描振镜扫描镜片26。所述扫描振镜的第一扫描振镜扫描镜片29安装在扫描振镜的第一电机31的电机主轴30上。所述扫描振镜的第二扫描振镜扫描镜片26安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴25上。 

本实施例的光路流程如下：入射光束18经激光扩束单元19后照射到所述激光光束旋转子单元，形成第一光束22，所述第一光束22经透射式衍射光栅23分光后，形成第二光束组24，第二光束组24经扫描振镜第一扫描振镜扫描镜片29形成第三光束组28，所述第三光束组28经扫描振镜的第二扫描振镜扫描镜片26形成第四光束组27，所述第四光束组27经远心平场扫描聚焦镜32进行聚焦，得到聚焦光束组33，所述聚焦光束组33直接作用于待加工工件34。 

所述扫描振镜的第一扫描振镜扫描镜片29与第二扫描振镜扫描镜片26 相配合，每阵列孔加工完毕，就把聚焦光束组33的各光束焦点移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一扫描振镜扫描镜片29与第二扫描振镜扫描镜片26再一次锁定不动，此时激光出光。通过所述光束旋转子单元，形成高速旋转的第一光束22，高速旋转的第一光束22经透射式衍射光栅23衍射为四束高速旋转的第二光束组24，所述第二光束组24的四束光均做与第一光束22的同步运动，所述聚焦光束组33由于平场聚焦镜32的聚焦作用，会在待加工件34相应位置上刻划出相应的圆圈。在必要的时候，四束高速旋转的第二光束组24也可以由所述扫描振镜的第一扫描振镜扫描镜片29和第二扫描振镜扫描镜片26的协调动作，实现四路激光同时对待加工工件34进行更复杂的激光加工。 

改变所述激光分束模块和振镜扫描聚焦单元的距离，可以改变所述聚焦光束组33内各激光焦点的位置关系，例如间距大小。 

所述激光分束模块和光束控制模块的位置可以互换，所实现的加工效果基本相同。 

本实施例这种加工方式的好处是，结合了激光旋转子单元的高速旋转优点、激光分束的单路加工变多路加工的优点、振镜扫描高速切换激光焦点的优点，实现了高速高效高精度激光阵列钻孔。 

实施例3 

如图3所示，为本实用新型一种激光分束振镜扫描加工装置在不锈钢滤网钻孔的应用的结构示意图，包括光束控制模块、激光分束模块和振镜扫描聚焦模块，所述待加工工件54为100微米厚度不锈钢片。 

所述入射光束为直径为10毫米的入射扩束准直光束，其相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率100千赫兹。 

本实施例的光束控制模块包括激光扩束单元38和光束动态控制单元。所述光束动态控制单元包括第一入射光束控制单元和第二入射光束控制单元，所述第一入射光束控制单元包括第一压电反射镜39和用于驱动所述第一压电反射镜39的第一压电驱动陶瓷(图中未标示)。第二入射光束控制单元包括第二压电反射镜41和用于驱动所述第二压电反射镜41的第二压电驱动陶瓷(图中未标示)，所述第二压电反射镜41的摆动轴与所述第一压电反射镜39的摆动轴相垂直。优选的，所述光束动态控制单元还可以为声光调制器，通过改变声光调制器驱动源的载波频率调节所述入射光束的布拉格光栅反射角，改变所述入射光束传输状态。 

所述激光分束模块为透射式衍射光栅43，激光分束比设计为1分4，相邻衍射角度1度。在其他优选实施例中，所述激光分束模块可以由一个或者多个衍射元件串联组成，也可以采用二维甚至多维衍射分束元件替代，还可以由分立的光学元件构成，例如薄膜分光元件与反射镜组合，或者双折射晶体与反射镜、玻片的组合等。 

本实施例中，所述振镜扫描聚焦模块为振镜扫描聚焦单元，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜。所述扫描平场聚焦镜有普通平场扫描聚焦镜和远心平场扫描聚焦镜等类型，本实施例中，所述扫描平场聚焦镜采用远心平场扫描聚焦镜52，所述远心平场扫描聚焦镜52的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米。所述扫描振镜包括第一振镜扫描反射镜片49和第二振镜扫描反射镜片46。所述扫描振镜的第一振镜扫描反射镜片49安装在扫描振镜的第一电机51的电机主轴50上；所述扫描振镜的第二振镜扫描反射镜片46安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴45上。 

本实施例的光路流程如下：入射光束经所述激光扩束单元38后照射到所述第一压电反射镜39，经所述第一压电反射镜39反射，得到光束40，所述光束40经第二压电反射镜41反射，输出第一光束42，所述第一光束42 经所述透射式衍射光栅43后，得到第二光束组44，第二光束组44经扫描振镜第一振镜扫描镜片49反射得到第三光束组48，所述第三光束组48经扫描振镜的第二振镜扫描反射镜片46得到第四光束组47，所述第四光束组47经远心平场扫描聚焦镜52进行聚焦，得到聚焦光束组53，所述聚焦光束组53直接作用于待加工工件54。 

所述扫描振镜的第一振镜扫描反射镜片49与第二振镜扫描反射镜片46相配合，每阵列孔加工完毕，就把聚焦光束组53的各光束焦点移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一振镜扫描反射镜片49与第二振镜扫描反射镜片46再一次锁定不动，此时激光出光。通过第一压电反射镜39与第二压电反射镜41的反复摆动运动控制所述第一光束42的轨迹，例如圆周运动，圆周直径100微米，那么第二光束组44的四束光均做与所述第一光束42的同步运动，所述聚焦光束组53由于平场聚焦镜52的聚焦作用，会在待加工件54相应位置上刻划出相应的圆圈，从而通过第一压电反射镜39与第二压电反射镜41的运动控制改变第一光束42的轨迹，所述聚焦光束组53会在待加工工件54相应位置上刻划出对应的轮廓。 

通过扫描振镜的第一振镜扫描反射镜片49和第二振镜扫描反射镜片46的协调动作，可以实现四路激光同时对待加工工件54进行激光加工。本实施例可以4路激光同时工作，大大提高了激光加工效率。如果选用分光比更大的衍射分光元件，甚至是二维衍射分光元件，衍射出系列阵列分布的激光束，那么本实施例加工效率会进一步提高。在其他实施例中，还可以把所述待加工工件54置于移动平台上(图中没有标示)，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米×200毫米的通常称为大面积。 

在另一优选实施例中，所述激光扩束单元38也可以设置所述第二压电反射镜41和透射式衍射光栅43之间，这样由于激光扩束单元的成像放大作 用，第一压电反射镜和第二压电反射镜的摆动幅度可以小一些，摆动频率可以更高。 

改变所述激光分束模块和振镜扫描聚焦单元的距离，可以改变所述聚焦光束组53内各激光焦点的位置关系，例如间距大小。 

所述激光分束模块和光束控制模块的位置可以互换，所实现的加工效果基本相同。 

本实施例这种加工方式的好处是，结合了压电陶瓷振镜的高速高精度控制压电反射镜摆动的优点、激光分束的单路加工变多路加工的优点、振镜扫描高速切换激光焦点的优点，实现了高速高效高精度激光阵列钻孔。 

实施例4 

如图4所示，为本激光分束振镜扫描加工装置在氮化铝陶瓷激光铣削盲孔中应用的结构示意图，包括光束控制模块、激光分束模块和振镜扫描聚焦模块，所述待加工工件74为300微米厚度氮化铝陶瓷。 

所述入射光束54为直径为10毫米的入射扩束准直光束，激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率100千赫兹。 

本实施例的光束控制模块包括激光扩束单元55和光束动态控制单元。所述光束动态控制单元包括第一入射光束控制单元和第二入射光束控制单元，第一入射光束控制单元包括第一平板石英玻璃56和用于驱动所述第一平板石英玻璃56的第一电机，所述第一平板石英玻璃56安装在第一电机的电机主轴57上。第二入射光束控制单元包括第二平板石英玻璃60和用于驱动所述第二平板石英玻璃60的第二电机59，所述第二平板石英玻璃60安装在第二电机59的电机主轴60上。本实施例中，所述第一平板石英玻璃56的折射率为1.45，厚度3毫米，其两面均镀532纳米增透膜，可以绕垂直于纸面平板石英第一电机的电机主轴57旋转，使得所述第一平板石英玻璃56 的入射表面法线与入射光束55的角度α在0～10度范围内变化，并使得光束58相对于所述入射光束55获得相应位移，偏移量在0～167微米范围之间变化。 

所述第二平板石英玻璃61与第一平板石英玻璃56相同，但其旋转轴(即第二电机59的电机主轴60)与第一电机的电机主轴57相互垂直。所述电机主轴60控制所述第二平板石英玻璃61，使得所述第二平板石英玻璃61的入射表面法线与所述光束58的角度α为0～10度变化，使得所述第一光束62相对于所述光束58获得相应位移，偏移量在0～167微米范围之间变化。 

所述第二平板石英玻璃61与第一平板石英石英玻璃56的运动直接决定了所述第一光束62的运动轨迹，本实施例第一光束62的光轴运动范围为334微米×334微米的方形区域。 

在其他优选实施例中，通过宽范围入射角增透膜镀膜技术，可以使得第一平板石英玻璃56的入射表面法线与入射光束之间的夹角角度α在0-90度范围之间变化；第二平板石英玻璃61的入射表面法线与所述光束58之间的夹角角度α在0-90度范围之间变化，这样可以一定程度上在保证精度的同时也能加大扫描范围。 

在其他优选实施例中，所述石英玻璃还可以是其他透射平板光学元件或透射棱镜光学元件。 

所述激光分束模块为透射式衍射光栅63，激光分束比分数比为1比4，衍射角1度。在其他优选实施例中，所述激光分束模块可以由一个或者多个衍射元件串联组成，也可以采用二维甚至多维衍射分束元件替代，还可以由分立的光学元件构成，例如薄膜分光元件与反射镜、玻片的组合，或者双折射晶体与反射镜、玻片的组合等。 

本实施例中，所述振镜扫描聚焦模块为振镜扫描聚焦单元，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜。所述扫描平场聚焦镜有普通平 场扫描聚焦镜和远心平场扫描聚焦镜等类型，本实施例中，所述扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜72，所述远心扫描聚焦镜72的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米。所述扫描振镜包括第一扫描振镜扫描镜片69和第二扫描振镜扫描镜片66，所述所述扫描振镜的第一扫描振镜扫描镜片69安装在扫描振镜的第一电机71的电机主轴70上，所述扫描振镜的第二扫描振镜扫描镜片66安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴65上。 

本实施例的光路流程如下：入射光束经所述激光扩束单元55后照射到所述第一平板石英玻璃56，经第一平板石英玻璃56后形成光束58，所述光束58经第二平板石英玻璃61得到第一光束62，所述第一光束62经透射式衍射光栅63，得到第二光束组64，光束64内有4束光束，第二光束组64经扫描振镜第一扫描振镜扫描镜片69得到第三光束组68，所述第三光束组68经扫描振镜的第二扫描振镜扫描镜片66得到第四光束组67，所述第四光束组67经远心平场扫描聚焦镜72进行聚焦，得到聚焦光束组73，所述聚焦光束组73直接作用于待加工工件74。 

扫描振镜的两片反射镜片即第一扫描振镜扫描镜片69与第二扫描振镜扫描镜片66相配合，每阵列盲孔加工完毕后，就把所述聚焦光束组73的个光束焦点同步移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一扫描振镜扫描镜片69与第二扫描振镜扫描镜片66再一次锁定不动，此时激光出光。通过第二平板石英玻璃61与第一平板石英玻璃56的运动控制第一光束62的轨迹，例如圆周运动，圆周直径100微米，所述聚焦光束组73的各光束会在工件74相应位置上刻划出相应直径圆圈。通过第二平板石英玻璃61与第一平板石英石英玻璃56的运动控制改变第一光束62的轨迹，从而所述聚焦光束组73的各光束会在工件74相应位置上刻划出对应的轮廓。通过改变第一平板石英玻璃56、第二石英平板玻璃61的厚度或折射率，可以改变第一光束62的扫描轮廓大小。 

在实际应用中，还可以把所述待加工工件74置于移动平台上(图中没有标示)，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米×200毫米的通常称为大面积。 

在其他优选实施例中，所述激光扩束单元55也可以置于所述第二石英平板玻璃61和所述透射式衍射光栅63之间，这样由于扩束器的成像放大作用，第一石英平板玻璃56和第二石英平板玻璃61的摆动幅度可以小一些，摆动频率可以更高。 

改变所述激光分束模块和振镜扫描聚焦单元的距离，可以改变所述聚焦光束组73内各激光焦点的位置关系，例如间距大小。 

所述激光分束模块和光束控制模块的位置可以互换，所实现的加工效果基本相同。 

所述激光分束模块的分光面可以根据所述激光分束模块的转动而变化，所述激光分束模块绕着照射其上的激光束的光轴转动，其输出的阵列光束分布也会沿着所述激光束的光轴转动。 

本实施例这种加工方式的好处是，结合了石英平板玻璃的高速高精度控制光束平移而不是偏摆的优点、激光分束的单路加工变多路加工的优点、振镜扫描高速切换激光焦点的优点，有利于切缝边缘或者孔边缘的垂直度，实现了高速高效高精度激光阵列钻孔。 

上述实施例1到4只是本实用新型的四个典型的应用，实际上其原理应用不限于上面所述情形，例如还可以在透明材料或者硬脆材料上加工锥形孔甚至盲孔等。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：包括光束控制模块、激光分束模块和振镜扫描聚焦模块，入射光束依次经过所述光束控制模块、所述激光分束模块照射到所述振镜扫描聚焦模块；或者入射光束依次经过所述激光分束模块、所述光束控制模块照射到所述振镜扫描聚焦模块； 

所述光束控制模块用于调节照射到其上的激光光束的状态；所述光束控制模块包括激光扩束单元，所述激光扩束单元用于对所述照射到其上的激光光束进行扩束准直；或者所述光束控制模块包括所述激光扩束单元和光束动态控制单元，所述光束动态控制单元用于调节照射到其上的激光光束的运动状态； 

所述激光分束模块，用于对照射在其上的激光光束进行分束，形成多光束组，所述多光束组内的各光束与所述照射到所述激光分束模块上的所述激光光束保持同步静止或者同步运动； 

所述振镜扫描聚焦模块，包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜；或者包括扫描振镜、扫描平场聚焦镜和运动平台，所述运动平台为一维或者多维运动平台；所述扫描平场聚焦镜用于对从所述扫描振镜输出的多光束组的各光束进行聚焦形成聚焦光束组，所述扫描振镜用于控制所述聚焦光束组的各个激光焦点在不同加工单元的空间位置高速切换，或者在一个加工单元处对所述聚焦光束组的各个激光焦点扫描运动进行辅助运动控制；所述一维或者多维运动平台用于承载加工工件以及完成加工区域的切换，或在一个加工单元处对所述聚焦光束组的各个激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。 

2.根据权利要求1所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述激光分束模块为第一分束单元、第二分束单元、第三分束单元的任意一种；或者所述激光分束模块为第一分束单元、第二分束单元、第三分束 单元中至少两种的串联组合，所述串联组合用于对照射到其上的激光光束进行分束，形成多光束组； 

所述第一分束单元为微光学元件的任意一种或者多种的串联组合，所述微光学元件用于对照射在其上的激光光束进行分光；所述微光学元件包括二元光学元件、衍射光栅、微透镜阵列或全息光学元件；所述衍射光栅包括一维透射式衍射光栅、二维透射式衍射光栅、三维透射式衍射光栅或反射式光栅； 

所述第二分束单元为光学薄膜分光器件与光学反射镜的串联组合；或者所述第二分束单元为光学薄膜分光器件、光学反射镜和玻片的串联组合； 

所述第三分束器件为双折射晶体与光学反射镜的串联组合；或者所述第三分束单元为双折射晶体、光学反射镜和玻片的串联组合。 

3.根据权利要求1或2所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述激光分束模块与所述振镜扫描聚焦模块的间距可调；所述激光分束模块的分光面根据所述激光分束模块的转动而变化。 

4.根据权利要求3所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述激光分束振镜扫描加工装置包含一个或多个串联的光束动态控制单元。 

5.根据权利要求4所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述光束动态控制单元为第一控制子单元、第二控制子单元、第三控制子单元、第四控制子单元的任意一种；或者所述光束动态控制单元为第一控制子单元、第二控制子单元、第三控制子单元、第四控制子单元中至少两种的串联组合，所述串联组合用于调节照射到其上的激光光束的运动状态； 

所述第一控制子单元包括透射光学元件以及用于控制所述透射光学元件进行摆动或者平移的电机或压电陶瓷； 

所述第二控制子单元包括反射光学元件以及用于控制所述反射光学元 件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷； 

所述第三控制子单元包括声光调制器，所述声光调制器通过改变驱动源的载波频率调节所述激光光束的布拉格光栅反射角，改变所述激光光束传输状态； 

所述第四控制子单元包括一个激光光束旋转子单元或者至少两个串联的激光光束旋转子单元；所述激光光束旋转子单元包括旋转透射光学元件以及用于控制所述旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置；当所述第四控制子单元为两个或两个以上串联的激光光束旋转子单元时，所述激光光束旋转子单元各自独立控制旋转，所述前一激光光束旋转子单元输出光束的光轴沿着其入射光的光轴进行自转，后一激光光束旋转子单元的输出光束的光轴沿着前一激光光束旋转子单元输出光束的光轴进行公转，并且还沿着公转轨迹进行自转。 

6.根据权利要求5所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片；所述旋转透射光学元件为楔形棱镜、透镜、平板光学元件、一维透射式衍射光学元件、二维透射式衍射光学元件、三维透射式衍射光学元件、微透镜阵列的任意一种或者多种的串联组合。 

7.根据权利要求5或6所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述激光光束旋转子单元的驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的主轴上，所述电机主轴为空心轴；或者 

所述激光光束旋转子单元的驱动装置为电机皮带传动装置，所述电机皮带传动装置包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在所述主动轮上，所述旋转透射光学元件固定安装在所述从动轮上。 

8.根据权利要求7所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机、磁浮空心主轴电机、液压空心主轴电机或伺服空心主轴电机。 

9.根据权利要求8所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述扫描平场聚焦镜为远心平场扫描聚焦镜；所述振镜扫描聚焦模块配置光路同轴摄像头监控装置。 

10.根据权利要求9所述的一种激光分束振镜扫描加工装置，其特征在于：所述聚焦光束组中各个光束的垂直于光轴的各个焦点光斑的横截面为椭圆形。