專利名稱：一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，特別是激光銑削、切割和鉆孔等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)，其工作原理是將從諧振腔中導(dǎo)出的激光通過擴束，經(jīng)過空間成 90°安裝的兩個步進電機驅(qū)動的反射鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦后輸出作用于處理對 象上，反射鏡的轉(zhuǎn)動使工作平面上的激光作用點分別在X、Y軸上移動，兩個鏡面協(xié)同動作 使激光可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動。振鏡掃描加工技術(shù)同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對折返 鏡，不同的是，驅(qū)動這套鏡片的步進電機被伺服電機所取代，在這套控制系統(tǒng)中，位置傳感 器的使用和負反饋回路的設(shè)計思路進一步保證了系統(tǒng)的精度，整個系統(tǒng)的掃描速度和重復(fù) 定位精度達到一個新的水平。振鏡掃描式打標頭主要由XY掃描鏡、場鏡、振鏡及計算機控 制的打標軟件等構(gòu)成。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡(掃描鏡)上，用計算機控 制反射鏡的反射角度，這兩個反射鏡可分別沿X、Y軸掃描，從而達到激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有 一定功率密度的激光聚焦點在打標材料上按所需的要求運動，從而在材料表面上留下永久 的標記使用振鏡掃描儀，配置相應(yīng)的光學(xué)聚焦系統(tǒng)，移動焦點位置，可以實現(xiàn)一些材料上 面的激光鉆銑、切割、標記，但由于熱量累積，導(dǎo)致孔內(nèi)或者切逢內(nèi)殘留有熔化層；被高強 度的激光脈沖熔化或者汽化的材料在被自己的蒸汽傳送出去以前，會在孔壁上凝結(jié)或者重 鑄；在很多應(yīng)用中，還存在材料熔渣出不來，激光能量下不去的情況。于是出現(xiàn)了激光光束 移動螺旋式鉆孔方式。光束旋轉(zhuǎn)激光鉆孔技術(shù)為了進行螺旋式打孔，使用旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡或者離軸旋轉(zhuǎn) 透鏡等構(gòu)成光束旋轉(zhuǎn)器，實現(xiàn)激光光束的旋轉(zhuǎn)，它可以被安裝到一個空心軸傳動高速電動 機上。激光束被嚴格的調(diào)整，高速旋轉(zhuǎn)的光束經(jīng)過光學(xué)聚焦系統(tǒng)，激光焦點會在工件表面旋 轉(zhuǎn)，從而加工出所需要的結(jié)果，工件固定在二維移動平臺，就可以實現(xiàn)大幅面的激光加工。 但是二維工作平臺存在成本高，控制繁瑣，加減速度慢等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，把激光光束旋轉(zhuǎn)聚焦加工方式和掃描振鏡聚焦加工方式結(jié)合 起來，形成一種全新的組合加工方式，具備激光光束旋轉(zhuǎn)加工和振鏡控制的雙重優(yōu)點。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的激光光束經(jīng)過光束旋轉(zhuǎn)裝置，激光光束圍繞旋轉(zhuǎn)軸 線旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)的光束經(jīng)過一片或者多片反射鏡后，進入光學(xué)聚焦系統(tǒng)；反射鏡的反射角度 變化，旋轉(zhuǎn)的激光焦點會在工件表面形成一定的掃描軌跡，軌跡線寬由聚焦光斑和光束旋 轉(zhuǎn)直徑?jīng)Q定，軌跡路徑由光束旋轉(zhuǎn)器和反射鏡掃描系統(tǒng)決定。光束旋轉(zhuǎn)裝置，可以由旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡或者棱鏡組合，或者離軸旋轉(zhuǎn)透鏡，或者傾斜 旋轉(zhuǎn)透鏡或者傾斜平板光學(xué)模塊等形式構(gòu)成。本發(fā)明，一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)，由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果1.本發(fā)明提出將光束旋轉(zhuǎn)聚焦的激光加工方法和振鏡掃描激光加工方法結(jié)合起 來組合成為一種新的加工方式，相對于光束旋轉(zhuǎn)聚焦的激光加工方法，在加工各種圖形零 件時候，本發(fā)明控制簡單靈活，加減速度快，體積小，成本低，總之具備振鏡掃描激光加工所 有優(yōu)點。2.本發(fā)明提出將光束旋轉(zhuǎn)聚焦的激光加工方法和振鏡掃描聚焦加工方法結(jié)合起 來成為一種新的加工方式，相對于振鏡掃描激光加工方法，在一些特殊材料的加工方面，具 備光束旋轉(zhuǎn)聚焦的激光切割方法的優(yōu)點激光焦點可以高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可達8000轉(zhuǎn)/分 鐘甚至更高，遠非振鏡掃描能夠達到。在不銹鋼鉆孔銑削切割、陶瓷鉆孔銑削切割、藍寶石 鉆孔銑削切割以及玻璃鉆孔銑削切割等一些應(yīng)用中，較小的聚焦光斑有利于汽化這些材 料，但是過小的切割線寬，切割縫隙里面的熔渣噴出不來，會導(dǎo)致激光切割不下去，本發(fā)明 的技術(shù)方案，能夠形成比較寬的切縫，便于切割縫隙里面的熔渣噴出來。3.本發(fā)明提出的這種系統(tǒng)，光束可以高速旋轉(zhuǎn)，這是振鏡無法實現(xiàn)的；振鏡掃描 可以實現(xiàn)復(fù)雜圖形的高速精準的激光加工，控制方便簡單，這是單純的光束旋轉(zhuǎn)聚焦的激 光切割方法做不到的。4、本發(fā)明提出的這種系統(tǒng)，如果激光是高斯分布，那么激光加工具備高斯強度分 布的激光加工效果，同時具備能夠?qū)崿F(xiàn)平頂激光的激光加工效果；本發(fā)明能夠用納秒激光 實現(xiàn)超短脈寬激光加工效果，但是加工效率相比而言獲得極大提高。


通過以下對本發(fā)明，一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)的若干實施例結(jié)合其附 圖的描述，可以進一步理解本發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1實施例一是不銹鋼鉆孔；圖2實施例二是硅片切割；
具體實施例方式請參見圖1所示，這是本發(fā)明一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)的一種實施 例，待加工材料為1毫米厚度不銹鋼薄板。1是入射擴束準直光束，光束直徑5毫米，3為傾 斜平板玻璃，厚度1毫米，傾斜角度18度，4為準直輸出光束，準直光束1和4平行，間距100 微米，2為光束旋轉(zhuǎn)器筒，3固定在2里面，2固定在高速空心馬達里面，可以高速旋轉(zhuǎn)，這樣 光束4實際就圍繞以光束1的中心線為軸線高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)直徑200微米。9為振鏡第一反 射鏡片，由振鏡電機11的主軸10夾持，4經(jīng)9反射，輸出準直光束8，光束4在空間旋轉(zhuǎn)時 候，8也會在空間旋轉(zhuǎn)。8經(jīng)反射鏡6反射形成準直光束7，反射鏡6固定在振鏡電機的主軸 5上。準直光束經(jīng)過遠心聚焦鏡頭12后形成匯聚激光13，13的焦點落在工件14上，遠心鏡 12的焦距為100毫米。激光參數(shù)激光波長532納米，光束質(zhì)量因子小于1. 1，光斑圓度大 于90%，平均功率30瓦，單模，脈沖重復(fù)頻率100千赫茲。2的轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘，4的轉(zhuǎn) 速是6000轉(zhuǎn)/分鐘，其軌跡形成圓柱面；相應(yīng)的，光束7的轉(zhuǎn)速也是6000轉(zhuǎn)/分鐘，13在 14上面的激光焦點旋轉(zhuǎn)速度也是6000轉(zhuǎn)/分鐘。振鏡鏡片9與6鎖定不動，激光13就會 在14上面鉆出200微米直徑的盲孔或者通孔；6與9配合，每加工完畢一個孔，就把焦點移動到下一個位置，6和9再一次鎖定不動，激光13會在相應(yīng)位置，鉆出200微米直徑的盲孔 或者通孔，如此，可以鉆出所需要的通孔或者盲孔陣列。由于工件14比較后，可以在激光焦 點范圍內(nèi)設(shè)計出兩個激光焦點，這樣不用移動焦點位置，就可以一次鉆出通孔。如果加工幅 面不夠大，實際上還可以把工件14至于移動平臺上，這樣可以實現(xiàn)大范圍的激光加工。
請參見圖2所示，這是本發(fā)明一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)的另一種實施 例，待加工材料為300微米厚度硅片。1是入射擴束準直光束，光束直徑5毫米，3為兩塊對 放的棱鏡，4為準直輸出光束，準直光束1和4平行，間距100微米，2為光束旋轉(zhuǎn)器筒，3固 定在2里面，2固定在高速空心馬達里面，可以高速旋轉(zhuǎn)，這樣光束4實際就圍繞以光束1的 中心線為軸線高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)直徑200微米。9為振鏡第一反射鏡片，由振鏡電機11的主 軸10夾持，4經(jīng)9反射，輸出準直光束8，光束4在空間旋轉(zhuǎn)時候，8也會在空間旋轉(zhuǎn)。8經(jīng) 反射鏡6反射形成準直光束7，反射鏡6固定在振鏡電機的主軸5上。準直光束經(jīng)過掃描平 場鏡21后形成匯聚激光13，13的焦點落在工件22上。激光參數(shù)激光波長532納米，光束 質(zhì)量因子小于1. 1，光斑圓度大于90%，平均功率30瓦，單模，脈沖重復(fù)頻率100千赫茲。2 的轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘，4的轉(zhuǎn)速是6000轉(zhuǎn)/分鐘，其軌跡形成圓柱面；相應(yīng)的，光束7的轉(zhuǎn) 速也是6000轉(zhuǎn)/分鐘，13在14上面的激光焦點旋轉(zhuǎn)速度也是6000轉(zhuǎn)/分鐘。振鏡鏡片9 與6鎖定不動，激光13就會在22上面鉆出200微米直徑的盲孔或者通孔；6與9配合，每 加工完畢一個孔，就把焦點移動到下一個位置，6和9再一次鎖定不動，激光13會在相應(yīng)位 置，鉆出200微米直徑的盲孔或者通孔，如此，可以鉆出所需要的通孔或者盲孔陣列。如果 孔是連續(xù)的，則實現(xiàn)硅片切割。上述實施例只是本發(fā)明的幾個具體應(yīng)用。實際上其原理應(yīng)用不限于上面所述情 形，例如還可以在透明材料或者硬脆材料上加工錐形孔甚至盲孔等。總之，本發(fā)明提出一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)，其重要特點是將光束旋 轉(zhuǎn)聚焦的激光加工方法和振鏡掃描激光加工方法組合成為一種新的加工方式，能夠形成比 較寬的切縫，便于切割縫隙里面的熔渣噴出來；如果激光是高斯分布，那么激光加工具備高 斯強度分布的激光加工效果，同時具備能夠?qū)崿F(xiàn)平頂激光的激光加工效果；用納秒激光實 現(xiàn)超短脈寬激光加工效果，但加工效率相比而言獲得極大提高；控制簡單靈活，加減速度 快，體積小，成本低。
權(quán)利要求
一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)，其主要特征在于，光束經(jīng)過光束旋轉(zhuǎn)裝置圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)的光束經(jīng)過含一片或者兩片反射鏡的掃描系統(tǒng)后，進入光學(xué)聚焦系統(tǒng)；反射鏡的反射角度有規(guī)律地變化，旋轉(zhuǎn)的激光焦點會在工件表面形成一定的掃描軌跡。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于光學(xué)聚焦系統(tǒng)是遠心聚焦鏡頭或者掃描 平場鏡頭。
3.如權(quán)利要求2所述的一種方法，其特征在于其反射鏡系統(tǒng)是振鏡掃描系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求2或者3所述的一種方法，其特征在于光束旋轉(zhuǎn)軌跡是圓柱面。
5.如權(quán)利要求2或者3所述的一種方法，其特征在于光束旋轉(zhuǎn)軌跡是圓錐面。
6.如權(quán)利要求4或者5所述的一種方法，其特征在激光焦點范圍存在兩個聚焦點。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，一種光束旋轉(zhuǎn)振鏡掃描聚焦加工系統(tǒng)。本發(fā)明的重要特點是將光束旋轉(zhuǎn)聚焦的激光加工方法和振鏡掃描激光加工方法組合成為一種新的加工方式，能夠形成比較寬的切縫，便于切割縫隙里面的熔渣噴出來；如果激光是高斯分布，那么激光加工具備高斯強度分布的激光加工效果，同時具備能夠?qū)崿F(xiàn)平頂激光的激光加工效果；用納秒激光實現(xiàn)超短脈寬激光的加工效果，但加工效率相比而言獲得極大提高；控制簡單靈活，加減速度快，體積小，成本低。
文檔編號B23K26/04GK101856772SQ201010183539
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者張立國 申請人:張立國