本發(fā)明總體來說涉及一種激光打孔技術，具體而言，涉及一種的激光打孔裝置。

背景技術：

激光鉆孔是激光最常見的一種材料加工方式，常用的激光鉆孔有沖擊鉆孔和旋轉切孔兩種方式。

沖擊鉆孔是一個或者多個激光脈沖作用在同一個位置，通過重復沖擊進行鉆孔。沖擊鉆孔的方式會造成激光能量分布不均勻，光斑中間能量更強，邊緣能量降低，從而孔的邊緣質量較差，造成圓度不圓，錐度較大；而且由于前一次鉆孔形成的等離子體噴射物，對下一個激光脈沖的能量傳遞有屏蔽和阻礙的作用。除此，這種沖擊鉆孔的方式使孔徑的大小以及錐度問題難以控制。由于脈沖激光的不穩(wěn)定性，容易灼燒過度，在孔的周圍形成微裂紋，影響封墊的使用。

現(xiàn)有的激光鉆孔通常只能夠得到直徑為200μm的孔，已經不能滿足現(xiàn)有的市場需求。

在所述背景技術部分公開的上述信息僅用于加強對本發(fā)明的背景的理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現(xiàn)有技術的信息。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。

本發(fā)明的一個主要目的在于克服上述現(xiàn)有技術的至少一種缺陷，提供一種激光打孔裝置，以獲得具有較小尺寸的通孔。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種激光打孔裝置，所述激光打孔裝置包括工件支撐裝置、激光發(fā)生器以及聚焦裝置，所述工件支撐裝置用于支撐待打孔工件；所述激光發(fā)生器用于產生激光束，所述激光束的頻率為1kHZ，所述激光束的占空比為2％-8％；所述聚焦裝置設置于所述工件支撐裝置和所述激光發(fā)生器之間的打孔光路上，用于對所述激光束進行聚焦，所述激光束經過所述打孔光路后照射到所述工件上。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述聚焦裝置還包括擴束器和物鏡，所述擴束器設置于所述工件支撐裝置和所述激光發(fā)生器之間；所述物鏡設置于所述擴束器和所述工件支撐裝置之間，所述物鏡的焦距為10mm，所述物鏡的工作距離為20mm；由所述激光發(fā)生器發(fā)出的所述激光束能夠依次經過所述擴束器和所述物鏡照射到所述工件上。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述激光打孔裝置還包括校準光路，所述校準光路包括校準光源和設置于所述校準光路上的相互平行的兩個二色鏡，以使得由所述校準光源發(fā)出的校準光束依次經過所述二色鏡后照射到所述工件的預切割位置。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述激光打孔裝置還包括照明光路，所述照明光路包括照明光源和設置于所述照明光路上的相互平行的兩個二色鏡，以使得由所述照明光源發(fā)出的照明光束依次經過所述二色鏡后照射到所述工件上。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述工件支撐裝置包括可調節(jié)支撐臺、旋轉裝置以及工件支撐臺，所述可調節(jié)支撐臺具有第一工作面；所述旋轉裝置固定設置于所述第一工作面上，所述可調節(jié)支撐臺用于調節(jié)所述旋轉裝置的位置；所述工件支撐臺可移動地設置于所述旋轉裝置上，以用于調節(jié)所述工件的切割位置。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述激光打孔裝置還包括第一導軌，所述第一導軌固定設置于所述旋轉裝置上，所述工件支撐臺能夠沿所述第一導軌在所述旋轉裝置上移動；或者所述激光打孔裝置還包括第一二維平移臺，所述第一二維平移臺固定連接于所述旋轉裝置和所述工件支撐臺之間，以使得所述工件支撐臺能夠在所述旋轉裝置上移動。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述可調節(jié)支撐臺包括升降裝置和連接件，所述升降裝置具有第一表面；所述連接件可移動地設置于所述第一表面上，所述連接件包括相互成角度的所述第一工作面和第二工作面，所述第二工作面可滑動地設置于所述第一表面，所述第一工作面用于與所述旋轉裝置連接。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述可調節(jié)支撐臺還包括第二導軌，所述第二導軌固定設置于所述第一表面上，所述連接件能夠沿所述第二導軌在所述升降裝置上移動。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述可調節(jié)支撐臺還包括第二二維平移臺，所述第二二維平移臺固定設置于所述第一表面上，所述連接件固定設置于所述第二二維平移臺上以隨所述第二二維平移臺在所述第一表面上移動。

根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中所述第一工作面和所述第二工作面相互垂直。

由上述技術方案可知，本發(fā)明的激光打孔裝置的優(yōu)點和積極效果在于：通過調節(jié)激光發(fā)生器可以獲得頻率為1KHZ，占空比為2％-8％的激光束，一方面，該激光束具有的能量能夠穿透工件，另一方面，由于該激光束的能量相對較低，因此可以使落到工件上的光斑具有較小的尺寸，從而使利用該激光束切割出的通孔比較光滑，避免出現(xiàn)微裂紋，提高了激光打孔的工件的質量。

附圖說明

通過結合附圖考慮以下對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細說明，本發(fā)明的各種目標、特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見。附圖僅為本發(fā)明的示范性圖解，并非一定是按比例繪制。在附圖中，同樣的附圖標記始終表示相同或類似的部件。其中：

圖1是根據(jù)一示例性實施方式示出的一種金剛石對頂砧的結構圖。

圖2是根據(jù)一示例性實施方式示出的一種打孔光路的光路圖。

圖3是根據(jù)一示例性實施方式示出的一種工件支撐裝置的結構圖。

圖4是頻率相同、占空比不同的激光對同一物質打孔的痕跡圖。

圖5是頻率不同、占空比相同的激光對同一物質打孔的痕跡圖。

其中，附圖標記說明如下：

1、封墊； 2、校準光源；

3、二色鏡； 4、照明光源；

5、擴束器； 6、物鏡；

7、第一鍍銀反射鏡； 8、工件支撐臺；

9、第一二維平移臺； 10、旋轉裝置；

11、升降裝置； 12、連接件；

13、第二二維平移臺； 14、驅動裝置；

15、第二鍍銀反射鏡； 16、攝像頭；

17、激光發(fā)生器； 18、工件。

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限于在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發(fā)明將全面和完整，并將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。

占空比是指高電平在一個周期之內所占的時間比率。也就是說占空比＝頻率×脈沖寬度。當頻率不變時，欲想提高占空比，可以提高脈沖寬度。激光打孔實驗中發(fā)現(xiàn)，當頻率固定時，占空比越大，打出的單個孔徑越大。為了能夠更清楚地說明本發(fā)明，現(xiàn)僅選擇一組簡單的數(shù)據(jù)以對本發(fā)明的激光束的選擇過程進行說明。如圖4所示，在激光頻率固定在10KHz時，占空比從左至右分別為100％、50％、15％、5％、1％。圖4中可以顯示，占空比為100％和50％的時候，燒蝕的痕跡較占空比為5％和1％的情況嚴重。

同樣為了更好地說明本發(fā)明，現(xiàn)僅選擇一組簡單的數(shù)據(jù)以對本發(fā)明的激光束的選擇過程進行說明。我們把占空比暫時固定在3％，調制激光的頻率。如圖5，從左至右激光頻率分別為1Hz、10Hz、100Hz、500Hz、1000Hz和10kHz。從圖5中可以看出，孔徑的大小隨著激光頻率的增加而減小。并且在1Hz、10Hz、100Hz時有較嚴重的燒蝕痕跡。

如此，通過大量的試驗數(shù)據(jù)，得到了占空比為2％-8％，頻率為1kHZ的激光束，打孔后的質量較高，且能夠減少微裂紋和再鑄層，同時又兼顧打孔的速度和深度。

圖1是根據(jù)一示例性實施方式示出的一種金剛石對頂砧的結構圖。

如圖1所示，例如但不限于，在高壓衍射實驗中，通常需要在金屬片上打出一個圓孔，這個金屬片稱作封墊1?？梢宰龇鈮|1的材料很多，通常實驗用到的封墊1有銅，T301鋼，錸，非晶等。封墊1在實驗中要承受壓力導致的形變，因此為了增加其強度，在使用前通常要預壓到一定的厚度，然后在預壓的凹坑的中心上鉆孔，復位后進行使用。加工樣品腔的打孔方式包括機械鉆孔，激光和電火花打孔。

本發(fā)明的一個具體實施方式，激光發(fā)生器17打出的激光束的頻率可以為1kHZ，激光束的占空比為2％-8％，該激光束具有的能量能夠穿透工件18，并且由于該激光束的能量相對較低，因此可以使落到工件18上的光斑具有較小的尺寸，從而使利用該激光束切割出的通孔比較光滑，避免出現(xiàn)微裂紋，提高了激光打孔的工件18的質量。本發(fā)明一具體實施方式，激光發(fā)生器17的工作方式可以為被動Q-switched，激光發(fā)生器17的平均功率可以為大于500mW，激光發(fā)生器17的重復頻率TTL可以為1-10HZ。本發(fā)明的一具體實施方式，激光束的單脈沖能量可以為大于20μJ，激光束的脈寬可以為10ns，激光束的峰值功率可以為大于3KW。本發(fā)明的一具體實施方式的激光束的頻率為1kHZ，激光束的占空比可以為2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％，如此可以實現(xiàn)激光打孔，并且形成的通孔的周圍比較光滑，質量較高。本發(fā)明的一具體實施方式，激光束的波長可以為1064nm。

繼續(xù)參照圖2，本發(fā)明一具體實施方式，激光打孔裝置還可以包括聚焦裝置，該聚焦裝置用于對激光束進行聚焦，以使照射到工件上的激光束的能量更加集中。該聚焦裝置可以設置于工件支撐裝置1和激光發(fā)生器17之間的打孔光路上，激光束可以在經過打孔光路后再照射到工件18上。

繼續(xù)參照圖2，本發(fā)明的一具體實施方式，其中聚焦裝置可以包括擴束器5和物鏡6，擴束器5可以設置于工件支撐裝置11和激光發(fā)生器17之間，擴束器5可以的擴束倍率可以為2-6倍。物鏡6可以設置于擴束器5和工件支撐裝置1之間。物鏡6的焦距可以為10mm，物鏡6的工作距離可以為20mm，由激光發(fā)生器17發(fā)出的激光束能夠依次經過擴束器5和物鏡6照射到工件上。本發(fā)明的一具體實施方式，物鏡6的分辨率可以為0.6μm，焦深可以為±1.4μm，瞳徑可以為9mm。

本發(fā)明一具體實施方式，進入擴束器5前的激光束的直徑可以為2mm，經過擴束器5后的激光束的直徑可以為9mm(可以為物鏡6聚焦前光斑直徑)，經物鏡6聚焦后的激光束的直徑可以為0.38μm。

在聚焦光路中，激光束的發(fā)散角經過物鏡6聚焦后改變，其值為：

ω＝λf/πD

λ是入射激光束波長，f是物鏡焦距，D為聚焦前光斑直徑大小。

從上式可以看出，若想得到小的聚焦光斑，可以采用短焦距的物鏡6或者增大激光束在物鏡6入口處的光斑直徑，即增大激光束聚焦前的激光束直徑。我們可以采用擴束器5來使入口處光斑直徑增大，例如但不限于可以對激光束擴束，以使激光束光斑恰好充滿物鏡6口徑(D＝9mm)，即聚焦前的激光束直徑可以與物鏡6直徑相同，從而可以避免激光束的能量浪費。本發(fā)明一具體實施方式，激光束擴束前的光斑直徑為2mm，經擴束后的光斑直徑可以為9mm，則擴束的倍數(shù)為4.5倍。

經過擴束器5擴束和物鏡6聚焦后(物鏡焦距為10mm)，激光束光斑直徑大小為

ω＝λf/πD＝1064nm×10mm/(3.14×9mm)＝0.38um

本發(fā)明一種具體實施方式，工件上形成的通孔的直徑可以為30-200μm。

參照圖2，本發(fā)明的一實施方式，其中激光打孔裝置還可以包括校準光路，校準光路包括校準光源2和設置于校準光路上的相互平行的兩個二色鏡3，以使得由校準光源2發(fā)出的校準光束依次經過二色鏡3后照射到工件的預切割位置。本發(fā)明一實施方式，激光發(fā)生器17發(fā)出的激光束可以為不可見光，例如但不限于不可見紅外光，直接用該激光束對工件進行切割，不容易確定切割位置，容易造成工件損壞，從而造成不必要的浪費。本發(fā)明的一具體實施方式，校準光路上可以設置有兩個相互平行的二色鏡3，二色鏡3可以設置為由校準光源2發(fā)出的校準光束可以部分透過該二色鏡3，另外一部分校準光束可以經該二色鏡3反射。本發(fā)明一種具體實施方式提供的校準光束可以為可見光束，例如但不限于校準光束的波長可以為512nm。

本發(fā)明的一具體實施方式，校準光源2發(fā)出的校準光束可以依次經過一個二色鏡3、擴束器5、另一個二色鏡3、物鏡6后照射到工件上，通過調整校準光路上的各個部件以及校準光源2與工件的相對位置，可以使校準光束照射到工件的預定位置上。本發(fā)明的一具體實施方式，可以在校準光源2發(fā)出的校準光束照射到工件的預定位置后，將校準光源2取下，更換上激光發(fā)生器，開啟激光發(fā)生器的情況下，便可以對工件進行切割。本發(fā)明的另一具體實施方式，激光發(fā)生器可以不設置在校準光源2的位置上，例如但不限于激光發(fā)生器可以設置為由激光發(fā)生器發(fā)出的激光束經過第一鍍銀反射鏡7反射到校準光路上的二色鏡3上，在本實施例中可以調節(jié)激光發(fā)生器的位置，直至校準光路上的兩個二色鏡3均出現(xiàn)激光束，則代表激光束可以照射到上述校準光線照射的預定位置上。

繼續(xù)參照圖2，本發(fā)明的一實施方式，其中激光打孔裝置還包括照明光路，照明光路可以用于提供亮環(huán)境，以觀察激光打孔或激光校準的過程。該照明光路可以包括照明光源4和設置于照明光路上的相互平行的兩個二色鏡3，以使得由照明光源4發(fā)出的照明光束依次經過二色鏡3后照射到工件上。照明光束經過二色鏡3反射后可以進入物鏡6，經物鏡6聚焦后可以打到工件上，例如但不限于該工件可以為封墊。打在工件上的照明光束可以經過物鏡6、二色鏡3以及第二鍍銀反射鏡15以及物鏡6的聚焦后進入攝像頭16，例如但不限于CCD攝像頭。

參照圖3，本發(fā)明的一個具體實施方式，提供了一種激光打孔裝置，激光打孔裝置可以包括工件支撐裝置1，工件支撐裝置1可以用于支撐待打孔工件，該工件支撐裝置1可以設置為能夠調節(jié)待打孔工件的位置，以使待打孔工件相對激光束移動，以切割出想要的圖案，例如但不限于矩形、三角形、六邊形等圖案，本發(fā)明一具體實施方式，在待打孔工件上切割出圓形通孔。

繼續(xù)參照圖3，本發(fā)明的一實施方式，其中工件支撐裝置可以包括可調節(jié)支撐臺、旋轉裝置10以及工件支撐臺8?？烧{節(jié)支撐臺可以具有第一工作面，旋轉裝置10可以固定設置于該第一工作面上，可調節(jié)支撐臺用于調節(jié)旋轉裝置10的位置，以使激光發(fā)生器發(fā)出的激光束能夠照射到工件的預定位置上進行切割，該可調節(jié)支撐臺可以對工件位置進行初步調整。工件支撐臺8可移動地設置于旋轉裝置10上，以用于調節(jié)工件的切割位置。工件可以固定設置于工件支撐臺8上，通過工件支撐臺8在旋轉裝置10上的移動，可以帶著工件的位置相對激光束的照射位置進行改變，從而可以在工件18上切割出預想的圖案，例如但不限于工件上可以切割出圓形。

繼續(xù)參照圖3，本發(fā)明的一實施方式，其中激光打孔裝置還包括第一導軌，第一導軌可以固定設置于旋轉裝置10上，工件支撐臺8能夠沿第一導軌在旋轉裝置10上移動。通過工件支撐臺8在旋轉裝置10上的移動，可以調整工件的位置相對激光束的照射位置進行改變，從而得到預想的圖案，但不以此為限。本發(fā)明一種具體實施方式，激光打孔裝置還包括第一二維平移臺9，第一二維平移臺9可以固定連接于旋轉裝置10和工件支撐臺8之間，以使得工件支撐臺8能夠在旋轉裝置10上移動。

本發(fā)明的一實施方式，其中可調節(jié)支撐臺可以包括升降裝置11和連接件12，升降裝置11可以具有第一表面，連接件12可移動地設置于該第一表面上。本發(fā)明一種具體實施方式，連接件12可以包括相互成角度的第一工作面和第二工作面，第二工作面可以為滑動地連接于升降裝置11的第一表面，第一工作面用于與旋轉裝置10連接。本發(fā)明的一具體實施方式，第一工作面和第二工作面可以設置為相互垂直，但不以此為限，第一工作面和第二工作面之間的角度可以根據(jù)實際激光打孔的需要進行選擇。該連接件12可以設置為六面體結構或其他結構，為了節(jié)約成本，本發(fā)明一實施方式，連接件12可以設置為L型結構，第一工作面和第二工作面可以分別設置于該L型結構的相互垂直的兩個外側面上，但不以此為限。

本發(fā)明的一實施方式，其中可調節(jié)支撐臺還可以包括第二導軌，第二導軌可以固定設置于第一表面上，連接件12能夠沿第二導軌在升降裝置11上移動，以用于帶動工件在升降裝置11上移動，對工件的位置進行初步調整。繼續(xù)參照圖3，本發(fā)明的一實施方式，其中可調節(jié)支撐臺還包括第二二維平移臺13，第二二維平移臺13固定設置于第一表面上，連接件12可以固定設置于第二二維平移臺13上以隨第二二維平移臺13在第一表面上移動。

本發(fā)明一具體實施方式，激光打孔裝置還可以包括驅動裝置14，例如但不限于步進電機，該驅動裝置14可以驅動旋轉裝置10轉動，以帶動工件旋轉，從而可以在工件上形成圓形通孔，但不以此為限。

本發(fā)明所描述的特征、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施方式中。在上面的描述中，提供許多具體細節(jié)從而給出對本發(fā)明的實施方式的充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本發(fā)明的技術方案而沒有所述特定細節(jié)中的一個或更多，或者可以采用其它的方法、組件、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本發(fā)明的各方面。