用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)及打孔方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學領域，尤其涉及一種用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]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(zhuǎn)切孔兩種方式。
[0003]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(zhì)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的在于，提供一種新的旋轉(zhuǎn)切孔的光學掃描系統(tǒng)，使一束錐角細小的光束，通過旋轉(zhuǎn)的方式達到切割圓度高、錐度小、高深徑比和高質(zhì)量的精密小孔。
[0005]本發(fā)明所采用的技術方案是:
[0006]提供一種用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)，包括聚焦鏡、平行平板和楔形鏡，激光光束經(jīng)過聚焦鏡匯聚后，再通過平行平板進行光束平移，平移光束最后經(jīng)過楔形鏡傳遞到工件上；
[0007]平行平板和楔形鏡均固定在旋轉(zhuǎn)軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
[0008]本發(fā)明所述的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)中，該旋轉(zhuǎn)軸上物體的質(zhì)量呈對稱分布。
[0009]本發(fā)明所述的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)中，平行平板和楔形鏡分別通過兩個質(zhì)量對稱的電機控制，電機固定在旋轉(zhuǎn)軸上。
[0010]本發(fā)明所述的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)中，所述電機為空軸的外部驅(qū)動電機。
[0011]本發(fā)明所述的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還包括擴束鏡，置于聚焦鏡前方，激光先經(jīng)擴束鏡進行擴束后再經(jīng)聚焦鏡匯聚。
[0012]本發(fā)明還提供了一種激光旋轉(zhuǎn)打孔方法，包括以下步驟:
[0013]激光光束經(jīng)聚焦鏡得到匯聚光束；
[0014]匯聚光束到達平行平板，根據(jù)平行平板的傾斜角度α，相對于旋轉(zhuǎn)軸有一定平移量;
[0015]經(jīng)過平行平板進行平移后，光束通過楔形板，再產(chǎn)生與平移量相反方向的一定偏轉(zhuǎn)量；
[0016]平行平板和楔形鏡均圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，激光束通過傾斜的平行平板的高速旋轉(zhuǎn)來獲得旋轉(zhuǎn)的孔徑，再通過楔形鏡收斂激光的發(fā)散角，并傾斜光束。旋轉(zhuǎn)過程中錐角收斂的激光束均勻沿著孔徑邊緣高速旋轉(zhuǎn)，在工件上形成有錐度的圓孔；
[0017]根據(jù)形成的圓孔，再通過螺旋前進的方式進行鉆孔。
[0018]本發(fā)明所述的方法中，該方法還包括步驟:
[0019]調(diào)節(jié)平行平板的傾斜角度α或者楔形鏡的傾角β，或者兩者聯(lián)合調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)圓孔的直徑和錐度。
[0020]本發(fā)明所述的方法中，在激光光束匯聚之前，先經(jīng)過擴束鏡進行擴束。
[0021]本發(fā)明所述的方法中，固定在旋轉(zhuǎn)軸上的物體的質(zhì)量呈對稱分布，以在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時降低慣性擺動。
[0022]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)，通過一個傾斜的平行平板的高速旋轉(zhuǎn)來獲得旋轉(zhuǎn)的孔徑，再用楔形鏡收斂激光的發(fā)散角并傾斜激光束，通過螺旋前進的方式進行鉆孔。本發(fā)明中由于旋轉(zhuǎn)時光束能量分布更均勻，并且光束錐角小，螺旋前進的深度更大，可以進行高深寬比的深度精密鉆孔。此外本發(fā)明的光學系統(tǒng)結構簡潔，比傳統(tǒng)三光楔的結構更加簡單容易控制。
[0023]進一步地，旋轉(zhuǎn)軸上質(zhì)量對稱分布可以顯著減小電機高速旋轉(zhuǎn)時造成的慣性擺動，從而在高速旋轉(zhuǎn)下仍然能夠獲得穩(wěn)定的鉆孔效果。
【附圖說明】
[0024]下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中:
[0025]圖1是本發(fā)明實施例用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)的結構示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實施例光束在工件上切孔時的運動路徑；
[0027]圖3是本發(fā)明實施例楔形鏡角度保持不變，平行平板的角度α改變時所形成不同位置的圓孔的示意圖；
[0028]圖4是本發(fā)明實施例平行平板保持不變，楔形鏡的傾角β改變時所形成不同位置的圓孔的不意圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030]本發(fā)明提出的光學掃描系統(tǒng)，通過一個傾斜的平行平板的高速旋轉(zhuǎn)來獲得旋轉(zhuǎn)的孔徑，再用楔形鏡收斂激光的發(fā)散角，并傾斜激光束，再通過螺旋前進的方式進行鉆孔。本發(fā)明由于旋轉(zhuǎn)時光束能量分布更均勻，并且光束錐角小，螺旋前進的深度更大，可以進行高深寬比的深度精密鉆孔。
[0031]本發(fā)明實施例的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學掃描系統(tǒng)，如圖1所示，包括聚焦鏡10、平行平板20和楔形鏡30，其中平行平板20可選用石英玻璃材料，上下表面平行拋光，激光光束經(jīng)過聚焦鏡10匯聚后，再通過平行平板20進行光束平移，平移光束最后經(jīng)過楔形鏡30傳遞到工件上。平行平板20和楔形鏡30均固定在旋轉(zhuǎn)軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。
[0032]光學部分通過聚焦鏡10、平行平板20和楔形鏡30，分別實現(xiàn)聚焦、平移和傾斜的光學傳輸功能。圖1展示了沿著光軸傳播，經(jīng)過聚焦鏡10后，匯聚的光束通過傾斜的平行平板20后被平移，再通過楔形鏡30傾斜傳遞到工件上。其中平行平板20和楔形鏡30被高速電機控制進行高速旋轉(zhuǎn)，使錐角收斂的激光束均勻沿著孔徑邊緣高速旋轉(zhuǎn)，達到獲得高深徑比的切孔效果。
[0033]聚焦鏡10提供足夠大的焦距f，從而保證足夠大的工作距離，F(xiàn)大于50mm，足夠大的工作距離可以保證在加工的過程中工件的污染物不會造成對聚焦鏡10的污染。另外，長焦距通常意味著更長的焦深，使得在一個較大的焦深范圍內(nèi)激光都有很好的聚焦效果，從而具有更小的光斑尺寸。在聚焦鏡10之前，會放擴束鏡(圖中未示出)對先對激光進行擴束，以獲得接近于平行光的光束。在精密加工時聚焦鏡10的聚焦倍數(shù)和數(shù)值孔徑需要選擇更大的，從而獲得更好的聚焦效果和收集光的能力，讓激光能量在工件上有更好的分布和耦合效果。
[0034]傾斜的平行平板20可以形成光束平移。精密拋光的窗口材料其上下表面高度平行，通過傾斜，對光束只有平移的作用，并不偏轉(zhuǎn)光束的方向，且總是平移到鏡片更高的一方，使光束偏離軸心。再通過高速旋轉(zhuǎn)，激光束就會畫一個圓圈，形成旋轉(zhuǎn)切孔。同時此平移量可以通過調(diào)節(jié)平行平板的傾角改變。
[0035]楔形鏡30引入光束的傾斜，并且收斂光束。楔形鏡30對光束的角度有偏轉(zhuǎn)作用，且總是向鏡片尺寸更