專利名稱：旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置，屬于激光精細加工技術(shù)應用 領(lǐng)域
背景技術(shù)：
激光微孔加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非 金屬)進行微鉆孔加工，涉及到光、機、電、計算機控制、材料特性及檢測等多學科綜合技 術(shù)。激光打孔在汽車、微電子、光通訊、航天航空、生物醫(yī)學、太陽能及燃料電池新能源等高 新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有廣泛應用，改進或取代了某些傳統(tǒng)加工方式。目前世界上半導體集成電 路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，計算機、手機電路板、便攜式消費電子產(chǎn)品采用高密度多層PCB，體積緊湊 并向小型化發(fā)展；半導體芯片制作、測試和封裝要求不斷提高，其結(jié)構(gòu)更加緊湊、外形體積 不斷縮小。傳統(tǒng)的機械打孔或沖孔等加工方式無法滿足需求。先進的DPSS激光器，利用其納秒級的超短脈沖和幾十到幾百千瓦的峰值功率輸 出特性，能成功地應用于寶石、氧化鋁陶瓷、不銹鋼及一些碳鋼等不同材料上的精細加工。 在激光加工過程中，材料產(chǎn)生蒸汽或等離子體而非液體，在蒸汽或等離子體內(nèi)部具有極大 的壓力使得被加工材料產(chǎn)生噴射過程。此外，每個激光脈沖引起的材料內(nèi)部熱傳導也極為 有限，再加上加工過程產(chǎn)生的等離子體對激光束的傳導存在屏蔽效應，使得每個激光脈沖 去除的材料層厚度只幾個微米。由此，我們可以提高激光束強度深入材料內(nèi)部加工而不會 損壞微孔周圍的材料。激光精細加工微孔成型技術(shù)目前主要有三種固定光束單脈沖加工單元微孔、振 鏡掃描和工件旋轉(zhuǎn)打孔。固定光束單脈沖加工單元微孔是由固定激光聚焦鏡結(jié)合高精度位 移平臺移動工件來完成，提供了高精度和高準確性，并能得到激光加工光學系統(tǒng)所限的最 小微孔直徑。但在一個點上激光燒灼一段相當長的時間，小孔的邊緣肯定有著熱效應引起 的碳化層、熔化層，或在材料頂部存在堆積物的現(xiàn)象。還有一個問題是要想得到不同的微孔 直徑，在這種方式下，只能靠換聚焦鏡頭來實現(xiàn)。振鏡掃描加工微孔，定位速度快，由于振鏡 的高速響應，打數(shù)量眾多的列陣孔比較合適。而且孔的大小可以很方便地用軟件來控制，走 出各種事先設(shè)定好的軌跡，所以可以加工各種異型孔，比如方孔、三角形孔、星型孔等，但由 于它們?nèi)狈υ诖蠓秶木植啃^(qū)域內(nèi)的高定位精度，因此在小孔直徑小于250微米時不宜 采用此方案。另外在激光精細加工時，經(jīng)常把激光光束擴束以達到聚焦光點足夠小的目的， 這時的振鏡反射片尺寸相對較大，也會影響系統(tǒng)響應頻率和加工效率。微孔加工還有一種 方法是采用固定光束聚焦，工件高速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)軸偏離加工光軸，調(diào)節(jié)偏離距離就能得到 不同尺寸的小孔。這種方案能減少微孔成型過程中小孔邊緣的熱影響，但由于工件旋轉(zhuǎn)時 慣量大，而且只能打單一孔，只能應用于在小的圓形同軸零件上加工單個微孔的場合。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有裝置在激光精細加工列陣微孔成型中孔徑邊緣的熱影響和孔型精度不夠高的缺點，提供一種旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置。技術(shù)方案—種旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置，其特點是它包括由激光器、擴束鏡及激光傳 輸系統(tǒng)組成的超短脈沖的激光輸出系統(tǒng)，由兩個光楔、雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及控制系統(tǒng)組 成的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，由一個激光聚焦鏡組及調(diào)焦機構(gòu)組成的激光聚焦系統(tǒng)，由加工 件安裝機構(gòu)及二維位移平臺組成的加工件吸附定位位移系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)；由激光器發(fā)出 的激光束即入射光經(jīng)由擴束鏡和由光路傳導和反射鏡組成的激光傳輸系統(tǒng)的傳輸至雙光 楔光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)處，經(jīng)雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的相互平行放置并與 入射光軸垂直的兩個相同的第一光楔和第二光楔偏折后，由激光聚焦鏡組會聚獲得聚焦光 束于二維位移平臺上的加工件上。所述的雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括電機、電機座、第一同步帶輪、同步齒形帶、第二 同步帶輪、第一光楔片、光楔主動旋轉(zhuǎn)體、第一光楔支承座、離合器、光楔從動旋轉(zhuǎn)體、第二 光楔支承座、第二光楔片、聚焦透鏡組和聚焦透鏡組座，電機座、第一光楔支承座和第二光 楔支承座及聚焦透鏡組座均固定在調(diào)焦機構(gòu)上；兩個相同的第一光楔片和第二光楔片分別 膠合在光楔主動旋轉(zhuǎn)體和光楔從動旋轉(zhuǎn)體里；電機(8固定在電機座上，第一同步帶輪安裝 在電機的軸上，另一個相同的第二同步帶輪安裝在光楔主動旋轉(zhuǎn)體上，第一、第二同步帶輪 和通過同步齒形帶連接，光楔主動旋轉(zhuǎn)體固定在帶有軸承的第一光楔支承座上，光楔從動 旋轉(zhuǎn)體固定在帶有軸承的第二光楔支承座上，光楔主動旋轉(zhuǎn)體和光楔從動旋轉(zhuǎn)體通過離合 器同軸聯(lián)接。所述的激光器為一臺輸出納秒級脈沖平行光的DPSS固態(tài)激光器。所述的計算機系統(tǒng)中裝有運動控制卡，同步控制激光器開關(guān)、激光器輸出功率和 重復頻率調(diào)節(jié)、控制雙光楔片繞入射光軸分別或共同旋轉(zhuǎn)、激光調(diào)焦及二維工作位移平臺 的運動和定位套準。旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置工作原理一個折射率為n的棱鏡，頂角為a，入射光線經(jīng)棱鏡偏折后的轉(zhuǎn)折角為5。當折 射棱鏡的頂角足夠小，以致使所產(chǎn)生的色散覺察不出來時，這種折射棱鏡通常稱為光楔或 楔形鏡(如圖2所示)。這時有6 = (n-1) a當光楔圍繞入射光的光軸同軸旋轉(zhuǎn)時，出射光線也圍繞光軸旋轉(zhuǎn)，并在與光軸垂 直的平面上描繪出一個圓周；把兩個這樣的光楔平行放置，并與入射光光軸垂直，假設(shè)它們 的轉(zhuǎn)折角分別為\和，兩個光楔的相對偏角為0，這時入射光通過兩個光楔后的總轉(zhuǎn) 折角S為6 2 = 6 2+ 6 22+2 6 6 2cos ^選擇兩個光楔完全相同，即有S工=62= 6 ^，我們可以得到合成的轉(zhuǎn)折角為6=28 Ocos 3/2當0彡 3 ^ 2 n 時，有0 彡 | S | 彡 2一束平行入射光與聚焦鏡光軸夾角為0，經(jīng)焦距為f的聚焦鏡會聚后聚焦于焦平 面偏離光軸的某點處，該點與聚焦鏡中心焦點之間有距離r (如圖3所示)r = 8 f 4[0021]所以有r= 2 δ。 · cos β/2由此可見，雙光楔共同繞入射激光光軸同軸旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)由激光聚焦透鏡組會聚至 工作面上，使得激光在工作面上進行精確螺旋加工(圖1)。雙光楔分別繞入射光軸旋轉(zhuǎn)時， 改變了它們之間的相對偏角，也即改變了工作面上的圓周直徑。螺旋鉆孔的優(yōu)勢是擴大激 光鉆孔的范圍而得到較大的直徑并能保持孔的圓度，螺旋鉆孔的另一個顯著優(yōu)點是只需去 除一個圓環(huán)內(nèi)的材料，而不是整個圓內(nèi)的材料，提高了工作效率。由于本實用新型選擇高質(zhì)量光束的DPSS激光器，用達到或接近衍射極限的激光 聚焦系統(tǒng)，獲得精細的聚焦光束，利用雙光楔高速旋轉(zhuǎn)加工微孔，因此本實用新型的優(yōu)點是 降低孔徑邊緣的熱影響區(qū)，提高了孔型精度和工作效率。

圖1為精確螺旋鉆孔示意圖；圖2為光楔或楔形鏡示意圖；圖3為激光聚焦原理圖；圖4為雙光楔旋轉(zhuǎn)原理示意圖；圖5為旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置原理框圖；圖6為旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置光路示意圖；圖7為雙光楔旋轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型具體實施方式
結(jié)合附圖作一說明由圖4-7所示，一種旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置它包括由激光器1、擴束鏡2 及激光傳輸系統(tǒng)組成的超短脈沖的激光輸出系統(tǒng)、由第一光楔13和第二光楔19兩個光楔、 雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)4及控制系統(tǒng)組成的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、由一個激光聚焦鏡組20及 調(diào)焦機構(gòu)7組成的激光聚焦系統(tǒng)、由加工件安裝機構(gòu)及二維位移平臺6組成的加工件吸附 定位位移系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)；由激光器1發(fā)出的激光束即入射光經(jīng)由擴束鏡2和由光路傳 導和反射鏡3組成的激光傳輸系統(tǒng)的傳輸至雙光楔光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)4 處；經(jīng)雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)4中的相互平行放置并與入射光軸垂直的兩個相同的第一光楔 13和第二光楔19偏折后，由激光聚焦鏡組20會聚獲得聚焦光束于二維位移平臺6上的加 工件5上。由圖7所示，雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)4包括電機8、電機座9、第一同步帶輪10、同步 齒形帶11、第二同步帶輪12、第一光楔片13、光楔主動旋轉(zhuǎn)體14、第一光楔支承座15、離合 器16、光楔從動旋轉(zhuǎn)體17、第二光楔支承座18、第二光楔片19、聚焦透鏡組20和聚焦透鏡 組座21，電機座9、第一光楔支承座15和第二光楔支承座18及聚焦透鏡組座21均固定在 調(diào)焦機構(gòu)7上；兩個相同的第一光楔13和第二光楔19分別膠合在光楔主動旋轉(zhuǎn)體14和 光楔從動旋轉(zhuǎn)體17里；電機8固定在電機座9上，第一同步帶輪10安裝在電機8的軸上， 另一個相同的第二同步帶輪12安裝在光楔主動旋轉(zhuǎn)體14上，第一、第二同步帶輪10和12 通過同步齒形帶11連接。當電機8帶動第一同步帶輪10旋轉(zhuǎn)時，第二同步帶輪12通過同 步齒形帶11的傳動也同步高速旋轉(zhuǎn)，同時帶動膠合在光楔主動旋轉(zhuǎn)體14里的光楔片13旋
5轉(zhuǎn)。光楔主動旋轉(zhuǎn)體14固定在帶有軸承的第一光楔支承座15上，光楔從動旋轉(zhuǎn)體17固定 在帶有軸承的第二光楔支承座18上，光楔主動旋轉(zhuǎn)體14和光楔從動旋轉(zhuǎn)體17通過離合器 16同軸聯(lián)接。當離合器16把光楔主、從動旋轉(zhuǎn)體14和17接合在一起時，旋轉(zhuǎn)電機8通過 第一同步帶輪10、同步齒形帶11、第二同步帶輪12控制第一、第二兩個光楔片13和19同 步高速旋轉(zhuǎn)；當離合器16脫開時，光楔主、從動旋轉(zhuǎn)體14和17分離，旋轉(zhuǎn)電機8通過第一 同步帶輪10、同步齒形帶11、第二同步帶輪12將光楔主動旋轉(zhuǎn)體里的第一光楔片13旋轉(zhuǎn) 一個設(shè)定的角度，使兩個光楔片產(chǎn)生一個相對偏角，離合器16再接合，電機8通過第一同步 帶輪10、同步齒形帶11、第二同步帶輪12使光楔主、從動旋轉(zhuǎn)體14和17里的第一光楔片 13和第二光楔片19又同時旋轉(zhuǎn)，微孔直徑則發(fā)生了改變，從而實現(xiàn)微孔直徑的控制。計算機系統(tǒng)所述的計算機系統(tǒng)中加裝運動控制卡，同步控制激光器開關(guān)、激光器 輸出功率和重復頻率調(diào)節(jié)、控制雙光楔片繞入射光軸分別或共同旋轉(zhuǎn)、激光調(diào)焦及二維工 作位移平臺的運動和定位套準。所述的計算機系統(tǒng)其軟件主要包括1.激光器控制模塊控制激光器的開關(guān)、控制激光器輸出功率和重復頻率調(diào)節(jié)等 工作參數(shù)；2.旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制模塊調(diào)節(jié)兩個光楔片的相對角度，控制兩個光楔片繞入射光束 的光軸分別或共同同軸旋轉(zhuǎn)；3.調(diào)焦模塊控制調(diào)焦機構(gòu)調(diào)節(jié)激光聚焦鏡組與加工工件之間的距離，保證加工 面位于激光聚焦鏡組的焦平面上；4.位移控制模塊控制高精度二維工作位移平臺定點移動，實現(xiàn)微孔列陣中心點 位置的確定。由圖6所示，輸出納秒級脈沖平行光的DPSS激光器1輸出受控的高重復頻率超短 脈沖激光，經(jīng)過擴束鏡2擴束準直并通過光路傳導及反射鏡3進入雙光楔旋轉(zhuǎn)機構(gòu)4，加工 材料5安裝在高精度二維位移平臺6上，微孔的中心位置由位移平臺6運動決定。 雙光楔旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由圖7所示，兩個相同的第一、二光楔片13和19平行放置并與入 射光光軸垂直，第一、二兩個光楔片13和19之間有一定的相對偏角3，使出射光相對聚焦 透鏡組20的光軸也有一個可以控制的夾角，并通過聚焦透鏡組20調(diào)焦機構(gòu)7會聚在聚焦 透鏡組20焦平面上，形成一個細微的、高能量密度焦斑；焦斑位于加工面附近，以瞬間高溫 熔化或汽化被加工工件5。每一個高能量的激光脈沖瞬間就能在物體表面濺射出一個細小 的孔。由于出射光相對聚焦透鏡組20光軸有夾角S，聚焦光斑偏離聚焦透鏡組20的焦點 位置，偏離的距離r與該夾角成正比。旋轉(zhuǎn)電機8通過傳動機構(gòu)控制第一、二兩個光楔片13 和19同步高速旋轉(zhuǎn)，聚焦光斑圍繞聚焦透鏡組的光軸旋轉(zhuǎn)加工，加工的微孔直徑與第一、 二兩個光楔片13和19之間的相對偏角相關(guān)，旋轉(zhuǎn)電機8通過傳動機構(gòu)第一同步帶輪10、同 步齒形帶11、第二同步帶輪12和離合器16控制兩個光楔的相對偏角，就能控制微孔直徑大 小，根據(jù)需要可以加工不同直徑的通孔和盲孔。
權(quán)利要求一種旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置，其特征在于，它包括由激光器、擴束鏡及激光傳輸系統(tǒng)組成的超短脈沖的激光輸出系統(tǒng)，由兩個光楔、雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及控制系統(tǒng)組成的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，由一個激光聚焦鏡組及調(diào)焦機構(gòu)組成的激光聚焦系統(tǒng)，由加工件安裝機構(gòu)及二維位移平臺組成的加工件吸附定位位移系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)；由激光器(1)發(fā)出的激光束即入射光經(jīng)由擴束鏡(2)和由光路傳導和反射鏡(3)組成的激光傳輸系統(tǒng)的傳輸至雙光楔光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(4)處，經(jīng)雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(4)中的相互平行放置并與入射光軸垂直的兩個相同的第一光楔(13)和第二光楔(19)偏折后，由激光聚焦鏡組(20)會聚獲得聚焦光束于二維位移平臺(6)上的加工件(5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置，其特征在于，所述的雙光楔 支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)⑷包括電機(8)、電機座(9)、第一同步帶輪(10)、同步齒形帶(11)、第二同 步帶輪(12)、第一光楔片(13)、光楔主動旋轉(zhuǎn)體(14)、第一光楔支承座(15)、離合器(16)、 光楔從動旋轉(zhuǎn)體(17)、第二光楔支承座(18)、第二光楔片(19)、聚焦透鏡組(20)和聚焦透 鏡組座(21)，電機座(9)、第一光楔支承座(15)和第二光楔支承座(18)及聚焦透鏡組座 (21)均固定在調(diào)焦機構(gòu)(7)上；兩個相同的第一光楔片(13)和第二光楔片(19)分別膠合 在光楔主動旋轉(zhuǎn)體(14)和光楔從動旋轉(zhuǎn)體(17)里；電機⑶固定在電機座(9)上，第一同 步帶輪(10)安裝在電機(8)的軸上，另一個相同的第二同步帶輪(12)安裝在光楔主動旋 轉(zhuǎn)體(14)上，第一、第二同步帶輪(10)和(12)通過同步齒形帶(11)連接，光楔主動旋轉(zhuǎn) 體(14)固定在帶有軸承的第一光楔支承座(15)上，光楔從動旋轉(zhuǎn)體(17)固定在帶有軸承 的第二光楔支承座(18)上，光楔主動旋轉(zhuǎn)體(14)和光楔從動旋轉(zhuǎn)體(17)通過離合器(16) 同軸聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置，其特征在于，所述的激光器 為一臺輸出納秒級脈沖平行光的DPSS固態(tài)激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置，其特征在于，所述的計算機 系統(tǒng)中裝有運動控制卡。
專利摘要本實用新型公開了一種旋轉(zhuǎn)雙光楔激光微孔加工裝置，其特點它包括由激光器、擴束鏡及激光傳輸系統(tǒng)組成的超短脈沖的激光輸出系統(tǒng)；由兩個光楔、雙光楔支承旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及控制系統(tǒng)組成的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)；由一個激光聚焦鏡組及調(diào)焦機構(gòu)組成的激光聚焦系統(tǒng)；由加工件安裝機構(gòu)及二維位移平臺組成的加工件吸附定位位移系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)。本實用新型選擇高質(zhì)量光束的DPSS激光器，用達到或接近衍射極限的激光聚焦系統(tǒng)，獲得精細的聚焦光束，利用雙光楔高速旋轉(zhuǎn)加工微孔，因此本實用新型的優(yōu)點是降低孔徑邊緣的熱影響區(qū)，提高了孔型精度和工作效率。
文檔編號B23K26/36GK201632766SQ200920209948
公開日2010年11月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者姜兆華, 張偉, 張同興, 沈冠群, 潘涌, 王健超, 王又良 申請人:上海市激光技術(shù)研究所