本實(shí)用新型屬于激光加工領(lǐng)域，尤其涉及一種激光光束高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制的激光加工系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光鉆孔領(lǐng)域，激光焦點(diǎn)在孔和孔之間切換，目前振鏡掃描是比較成熟的最快的切換方式，表現(xiàn)在高的加減速、位移線速度以及定位速度。二維位移平臺(tái)是很慢的一種方式，一般很少采用了。

申請?zhí)?01310042363.7的專利，激光偏移單元在激光旋轉(zhuǎn)單元之前，激光偏轉(zhuǎn)在獲得光束的偏轉(zhuǎn)角度外，光束在進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)是，入射點(diǎn)也有位移，激光旋轉(zhuǎn)單元需要較大的入射口徑，需要較大的通光口徑，很難做到高速或者超高速旋轉(zhuǎn)。

光學(xué)鏡片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)承受較大離心力，導(dǎo)致鏡片旋轉(zhuǎn)中心承受最大的拉應(yīng)力，鏡片旋轉(zhuǎn)邊緣承受相對較小離心力，因此鏡片附加了一個(gè)發(fā)散光學(xué)系統(tǒng)，使得激光焦點(diǎn)離開平場掃描鏡的聚焦平面，無法進(jìn)行激光加工，且轉(zhuǎn)速越高，激光焦點(diǎn)偏移距離越大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本實(shí)用新型提供了一種激光鉆孔系統(tǒng)，能夠提高激光光束旋轉(zhuǎn)速度并確保激光焦點(diǎn)保持在待加工工件表面或特定空間位置，并實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)光束的高速高精度精細(xì)調(diào)制，獲得高速高精度的激光旋轉(zhuǎn)填充鉆孔效果。

本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

本實(shí)用新型提供了一種激光鉆孔系統(tǒng)，包括入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊和激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊；

所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，用于對透射的入射光束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制以輸出旋轉(zhuǎn)光束，形成繞所述入射光束的光軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的第一光束，且所述所述第一光束光軸旋轉(zhuǎn)全角小于30毫弧度；

所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊包括至少一個(gè)激光光束旋轉(zhuǎn)單元，所述激光光束旋轉(zhuǎn)單元包括旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件和用于帶動(dòng)所述激光光束旋轉(zhuǎn)單元作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)速度大于6萬轉(zhuǎn)每分鐘，所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件承受旋轉(zhuǎn)離心力從而對透射光束產(chǎn)生光束發(fā)散功能，且轉(zhuǎn)速越高，光束發(fā)散功能越強(qiáng)，所述第一光束的光束發(fā)散程度大于所述入射光束；

所述高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊，用于對所述第一光束的光束發(fā)散角隨著所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊旋轉(zhuǎn)速度的變化而變化產(chǎn)生的聚焦光束的激光焦點(diǎn)空間位置的變化進(jìn)行補(bǔ)償，使得經(jīng)過所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊聚焦后的聚焦光束的激光焦點(diǎn)始終處于待加工工件表面或特定空間位置；

所述高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊可以為高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元和/或激光平場聚焦工作距補(bǔ)償單元；

所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元，位于所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之前或者位于所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之后，用于對所述入射光束或所述第一光束的光束發(fā)散角進(jìn)行發(fā)散角補(bǔ)償，使得聚焦光束的聚焦焦點(diǎn)始終處于待加工工件表面或者特定空間位置；

所述激光平場聚焦工作距補(bǔ)償單元，用于根據(jù)所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊輸出的第一光束的旋轉(zhuǎn)速度，對掃描平場聚焦鏡與待加工工件之間的間距 進(jìn)行調(diào)整，使得不論第一光束的旋轉(zhuǎn)速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦點(diǎn)始終處于所述待加工工件表面或者特定空間位置；

所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊，用于對所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元或者所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊的輸出光束進(jìn)行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工單元之間進(jìn)行切換或者在一個(gè)加工單元處對所述聚焦光束的激光焦點(diǎn)掃描運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)控制。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可以作如下改進(jìn)。

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件為楔形棱鏡或衍射體光柵或光楔，所述驅(qū)動(dòng)裝置為空心主軸電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件安裝在所述空心主軸電機(jī)的電機(jī)主軸上；所述空心主軸電機(jī)為氣浮空心主軸電機(jī)或磁浮空心主軸電機(jī)。

旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件在高速旋轉(zhuǎn)(比如，超過6萬轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速)時(shí)，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)中心部位的離心力最小，隨著旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)半徑增加，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件邊緣承受最大離心力，此時(shí)，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)中心部位材料受到最大拉應(yīng)力，對應(yīng)部位材料折射率最小，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)邊緣部位材料受到最小拉應(yīng)力，對應(yīng)部位材料折射率最大；轉(zhuǎn)速越大，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件中心和邊緣的折射率差越大，形成更為明顯凹透鏡現(xiàn)象，相當(dāng)于附加了一個(gè)變化的發(fā)散光學(xué)系統(tǒng)，使得激光焦點(diǎn)離開激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊的原有聚焦平面，即離開了待加工工件的待加工位置，無法進(jìn)行正常激光加工，且轉(zhuǎn)速越高，激光焦點(diǎn)偏移距離越大，使用高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊可以確保聚焦光束的激光焦點(diǎn)始終處于待加工工件表面。

從公式角度描述，等厚旋轉(zhuǎn)圓盤以等角速度ω繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，若材料的密度為ρ，則旋轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)的徑向離心力為：

f_r＝ρω²r

其中ρ為材料密度，ω為轉(zhuǎn)速，r為旋轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)距離旋轉(zhuǎn)中心的距離，即旋轉(zhuǎn)半徑。

上述同心圓盤圓心，即圓盤旋轉(zhuǎn)中心在旋轉(zhuǎn)截面上的應(yīng)力積分：

${\∫}_0^r{f}_{r}dr={\∫}_0^r{\mathrm{\ρ\ω}}^{2}rdr=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\ω}}^2{r}^2$

上述公式表明，半徑越大，旋轉(zhuǎn)中心所受拉力越大；旋轉(zhuǎn)角速度越高，旋轉(zhuǎn)中心所受拉力越大，特別是隨著轉(zhuǎn)速的提高，對旋轉(zhuǎn)中心所受拉力的影響更為明顯：例如轉(zhuǎn)速為10萬轉(zhuǎn)每分鐘，轉(zhuǎn)速的平方就是100億，如果轉(zhuǎn)速增加到30萬轉(zhuǎn)每分鐘，那么轉(zhuǎn)速的平方就是900億，因此，轉(zhuǎn)速上升到一定程度，旋轉(zhuǎn)中心所受拉力的影響非常巨大。對于采用高速旋轉(zhuǎn)光束進(jìn)行激光微加工，必須考慮不同轉(zhuǎn)速下面，激光發(fā)散角的變化，否則，由于激光微加工中聚焦焦點(diǎn)非常小，焦深短，在高速轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速稍微變化，激光焦點(diǎn)就離開了原來的位置。本申請引入高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束的激光焦點(diǎn)的空間位置補(bǔ)償機(jī)制，使得激光高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光焦點(diǎn)始終保持在待加工工件表面或者特定空間位置，獲得穩(wěn)定高效的激光填充鉆孔效果。

在入射光束旋轉(zhuǎn)模塊高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊用于保持激光焦點(diǎn)處于掃描平場聚焦鏡的焦平面上，一旦入射光束旋轉(zhuǎn)模塊停止旋轉(zhuǎn)，如果高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊保持不變，此時(shí)激光焦點(diǎn)位于掃描平場聚焦鏡焦平面以上，即靠近掃描平場聚焦鏡方向，這時(shí)所述高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊繼續(xù)對激光焦點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)償，使得激光焦點(diǎn)位于待加工工件表面或者特定空間位置?？傊?，入射光束旋轉(zhuǎn)模塊的轉(zhuǎn)速在6萬轉(zhuǎn)每分鐘以上，隨著轉(zhuǎn)速的變化，所述高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊必須對應(yīng)變化，以保持聚焦光束激光焦點(diǎn)保持在待加工材料表面不變，即空間聚焦位置保持不變。本申請主要是通過對入射光束或者第一光束的光束發(fā)散角進(jìn)行發(fā)散角補(bǔ)償，或者根據(jù)第一光束的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度來調(diào)整 待加工工件與掃描平場聚焦鏡之間的間距，使得聚焦光束的聚焦焦點(diǎn)始終保持在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面上，或者使得聚焦光束的聚焦焦點(diǎn)始終保持在待加工工件表面或者特定空間位置，提高激光鉆孔效率且保證激光鉆孔微加工穩(wěn)定進(jìn)行。

總之，由于驅(qū)動(dòng)裝置可以采用氣浮空心主軸電機(jī)或磁浮空心主軸電機(jī)，可以控制激光光束旋轉(zhuǎn)單元高速或超高速旋轉(zhuǎn)，極大提高其激光銑削加工效率，但也因此導(dǎo)致透射激光束發(fā)散，且不同轉(zhuǎn)速發(fā)散程度不同，導(dǎo)致聚焦激光束焦點(diǎn)遠(yuǎn)離待加工工件表面的程度不同，因此本申請?jiān)O(shè)置了高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊，該模塊對入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊輸出光束進(jìn)行發(fā)散角補(bǔ)償，保持入射激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊的光束發(fā)散角在一定范圍內(nèi)，使得聚焦光束的激光焦點(diǎn)始終處于待加工工件表面，或者調(diào)整掃描平場聚焦鏡與待加工材料的距離，使得激光焦點(diǎn)保持在待加工材料表面，使得激光光束旋轉(zhuǎn)速度的變化時(shí)，保持聚焦光束的激光焦點(diǎn)在待加工材料表面或者特定空間位置，從而達(dá)到本申請的目的。

進(jìn)一步的，所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，包括兩個(gè)或兩個(gè)以上的串聯(lián)的激光光束旋轉(zhuǎn)單元，每一個(gè)所述激光光束旋轉(zhuǎn)單元各自獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，第一個(gè)激光光束旋轉(zhuǎn)單元中的旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件接收所述入射光束，所述第一個(gè)激光光束旋轉(zhuǎn)單元輸出激光束光軸沿著其入射激光的光軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)，后一激光光束旋轉(zhuǎn)單元的輸出光束的光軸沿著前一激光光束旋轉(zhuǎn)單元的輸出的光束的光軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，并且還沿著該公轉(zhuǎn)軌跡進(jìn)行自轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步的，所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊為振鏡掃描平場聚焦單元，所述振鏡掃描平場聚焦單元包括掃描振鏡和掃描平場聚焦鏡；

所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元或者所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊的輸出光束經(jīng)掃描振鏡反射后射入掃描平場聚焦鏡，經(jīng)所述掃描平場聚焦鏡聚焦形成聚焦光束，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片偏轉(zhuǎn)達(dá)到控制激光 焦點(diǎn)在不同加工單元之間的切換，或在一個(gè)加工單元處的激光出光加工過程中，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片輔助偏轉(zhuǎn)對激光焦點(diǎn)掃描運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)控制。

進(jìn)一步的，所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元包括殼體和透鏡組，所述透鏡組安裝于所述殼體內(nèi)，所述透鏡組包含至少兩個(gè)串聯(lián)的透鏡，通過改變所述透鏡組內(nèi)的多個(gè)透鏡之間的間距實(shí)現(xiàn)對所述第一光束的發(fā)散角補(bǔ)償角度的調(diào)整。

所述進(jìn)一步的有益效果為：隨著激光光束的不同旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元能夠通過調(diào)整多個(gè)透鏡之間的間距來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對高速旋轉(zhuǎn)激光光束的發(fā)散角補(bǔ)償角度的調(diào)整，使得激光聚焦焦點(diǎn)始終處于待加工工件表面，提高激光加工效率。

進(jìn)一步的，所述透鏡組為一個(gè)凹透鏡和至少一個(gè)凸透鏡的組合，或者為至少兩個(gè)凸透鏡的組合。

在入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元用于保持激光焦點(diǎn)處于掃描平場聚焦鏡的焦平面上，一旦入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊停止旋轉(zhuǎn)，如果高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊保持不變，此時(shí)激光焦點(diǎn)位于掃描平場聚焦鏡焦平面以上，即靠近掃描平場聚焦鏡方向，這時(shí)所述高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊繼續(xù)對激光焦點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)償，使得激光焦點(diǎn)位于待加工工件表面或者特定空間位置?？傊?，入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊的轉(zhuǎn)速在6萬轉(zhuǎn)每分鐘以上，隨著轉(zhuǎn)速的變化，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊必須對應(yīng)變化，以保持聚焦光束激光焦點(diǎn)保持在待加工材料表面不變，即空間聚焦平面保持不變。高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元可以由凹透鏡與凸透鏡組合而成，也可以由凸透鏡與凸透鏡組合而成，組成形式多樣。

進(jìn)一步的，還包括激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊位于所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之后，用于采用偏轉(zhuǎn)方式調(diào)節(jié)所述第一光束 的運(yùn)動(dòng)軌跡輪廓大小，以形成第二光束，所述第二光束的運(yùn)動(dòng)由所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊單獨(dú)調(diào)制或者由所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊和所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊共同調(diào)制。

進(jìn)一步的，所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊包括一個(gè)或至少兩個(gè)串聯(lián)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元；

所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括透射光學(xué)元件以及用于控制透射光學(xué)元件進(jìn)行擺動(dòng)的電機(jī)或壓電陶瓷；或者，

所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括反射光學(xué)元件以及用于控制反射光學(xué)元件進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的電機(jī)或壓電陶瓷；或者，

所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括聲光偏轉(zhuǎn)器，通過改變聲光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動(dòng)源的載波頻率調(diào)節(jié)所述聲光偏轉(zhuǎn)器的布拉格光柵反射角，進(jìn)而改變透射激光傳輸方向；或者，

所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括電光偏轉(zhuǎn)單元，通過改變電光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動(dòng)源的電壓調(diào)節(jié)所述透射激光傳輸方向。

本申請采用了平場掃描聚焦鏡作為平場掃描聚焦手段，平場掃描聚焦鏡對光束進(jìn)行聚焦后，激光焦點(diǎn)在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動(dòng)距離與平場掃描聚焦鏡焦距成正比，與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角的變化值成正比，一旦平場掃描聚焦鏡選定，平場掃描聚焦鏡焦距就確定，那么激光焦點(diǎn)在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動(dòng)距離理論上只與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角變化值成正比。所有平行激光束在入射同一個(gè)掃描平場聚焦鏡且平行激光束入射掃描平場聚焦鏡的方位(角度與位移)均在所述平場掃描聚焦鏡設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，所有平行入射的激光束均聚焦于掃描平場聚焦鏡焦平面上同一個(gè)點(diǎn)。因此，激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊對光束的傳輸角度改變對激光焦點(diǎn)在平場掃描聚焦鏡的聚焦平面的移動(dòng)距離有貢獻(xiàn)。

從公式上描述：

${\∫}_0^r{f}_{r}dr={\∫}_0^r{\mathrm{\ρ\ω}}^{2}rdr=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\ω}}^2{r}^2$

上述公式表明，半徑越大，旋轉(zhuǎn)中心所受拉力越大，因此需要降低旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件的通光孔徑；同時(shí)，孔徑過大，空心主軸電機(jī)的空心軸轉(zhuǎn)速也上不去。本申請將激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之后，因?yàn)榧す夤馐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊對激光光束進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)時(shí)候，同時(shí)伴隨著空間位移，即會(huì)改變激光光束在光學(xué)鏡片上的入射點(diǎn)，如果將激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之前，那么就要求比較大的入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊輸入孔徑，這樣直接導(dǎo)致了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊高速旋轉(zhuǎn)速度，速度越高的光束旋轉(zhuǎn)模塊，其光學(xué)孔徑是越小的，因此，本申請將激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之后，降低了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊的光學(xué)入射孔徑的要求，直接對降低了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊通光孔徑的要求，有利于進(jìn)一步提高主軸旋轉(zhuǎn)速度，并且降低了旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的半徑要求，直接降低了旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)中心所受拉應(yīng)力，因而降低了第一光束的發(fā)散程度，這樣，極大提升了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速上限，獲得更快的激光光束旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，因而獲得高效精確復(fù)雜的激光光速填充運(yùn)動(dòng)。

本申請使用激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，配合入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，特別是帶有高速甚至超高速(目前氣浮主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)36萬轉(zhuǎn)/秒)的入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，可以達(dá)到在激光束高速甚至是超高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)制入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊出射激光光束的掃描填充軌跡輪廓的大小和形狀，這更符合實(shí)際大量加工需求。激光光束旋轉(zhuǎn)單元的旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件在6萬轉(zhuǎn)/分鐘以上為高速。

配合振鏡掃描平場聚焦單元對激光束的高速位移切換能力和大范圍區(qū) 域掃描加工能力，可以達(dá)到大范圍、高速高質(zhì)量、孔徑可變的微孔鉆孔的目的，也非常適合于橫截面變化的盲槽或者一次加工多種孔徑的盲孔激光銑削加工。

本申請中所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊，也可以是靜態(tài)聚焦鏡配合XY平臺(tái)移動(dòng)方式。

本申請的工作原理如下：入射激光經(jīng)過入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊后，輸出高速旋轉(zhuǎn)光束，即第一光束，該旋轉(zhuǎn)光束入射激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊對輸入旋轉(zhuǎn)光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)調(diào)制，獲得偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)激光束，即第二光束，所述第二光束的運(yùn)動(dòng)是入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊與激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊串聯(lián)運(yùn)動(dòng)調(diào)制完成或者由入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊獨(dú)立完成，其中，獨(dú)立完成是指入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊對光束進(jìn)行方位調(diào)制時(shí)，所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊不作方位調(diào)制。通過激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊，對從激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊輸出的光束進(jìn)行聚焦，并控制激光焦點(diǎn)在不同加工單元之間進(jìn)行切換或在一個(gè)加工單元處對激光焦點(diǎn)掃描運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)控制。

所述高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊可以為高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元和/或激光平場聚焦工作距補(bǔ)償單元；由于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊的旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速達(dá)到6萬轉(zhuǎn)以上時(shí)，發(fā)生明顯的凹透鏡現(xiàn)象，對透過光束有明顯的發(fā)散作用，而且不同轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)散作用不同，轉(zhuǎn)速越高，發(fā)散作用越明顯，激光焦點(diǎn)越遠(yuǎn)離掃描平場聚焦鏡的原有聚焦平面，因此，必須引入高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊，所述高速旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)空間位置補(bǔ)償模塊可以為高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元和/或激光平場聚焦工作距補(bǔ)償單元。所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元，可以位于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊之前，并對所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊輸出光束進(jìn)行發(fā)散角度補(bǔ) 償，保持入射所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊的光束發(fā)散角，使得所述聚焦光束的激光焦點(diǎn)處于掃描平場聚焦鏡的原有聚焦平面上，使得激光微加工得以穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行，或者所述激光平場聚焦工作距補(bǔ)償單元改變掃描平場聚焦鏡與待加工材料之間的間距，使得旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)在光束旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光焦點(diǎn)處于待加工材料表面，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的一種雙面銅箔柔性電路板的激光鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊中的旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件的工作原理圖；

圖3為實(shí)施例2的金屬箔激光鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例3的多層柔性電路板激光鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖。

1、入射光束，2、高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元，201、殼體，202、第一凸透鏡，203、第二凸透鏡，204、第一凹透鏡，205、第三凸透鏡，3、發(fā)散角角度補(bǔ)償后的光束，4、入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，401、氣浮主軸電機(jī)的空心主軸，402、旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡，5、第一光束，6、激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊，601、第一擺動(dòng)楔形棱鏡，602、第一電機(jī)的電機(jī)主軸，603、擺動(dòng)光束，604、第二電機(jī)，605、第二電機(jī)的電機(jī)主軸，606、第二擺動(dòng)楔形棱鏡，7、第二光束，8、激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊，801第二電機(jī)的電機(jī)主軸，802、第二反射鏡片，803、第一反射光束，804、第二反射光束，805、第一反射鏡片，806、第一電機(jī)807的電機(jī)主軸，807、第一電機(jī)，808、遠(yuǎn)心掃描平場聚焦鏡，809、聚焦光束，10、待加工工件。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解 釋本實(shí)用新型，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。

實(shí)施例1：

圖1為雙面銅箔柔性電路板激光鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示：雙面銅箔柔性電路板激光鉆孔系統(tǒng)主要包括入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4、激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6、高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償單元2和激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊8。

所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4包括一個(gè)激光光束旋轉(zhuǎn)單元，所述激光光束旋轉(zhuǎn)單元包括旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件和用于帶動(dòng)所旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件為旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402，旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402的折射率為1.45，厚度3毫米，其兩面均鍍355納米增透膜。驅(qū)動(dòng)裝置為帶空心主軸的氣浮空心主軸電機(jī)，氣浮空心主軸電機(jī)也可以用帶空心主軸的磁浮空心主軸電機(jī)替代。所述旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402固定安裝在氣浮主軸電機(jī)的空心主軸401內(nèi)，并一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣浮主軸電機(jī)的空心主軸401內(nèi)孔直徑為10毫米，氣浮主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)18萬轉(zhuǎn)/分鐘。若選擇更小通孔孔徑的，氣浮主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)36萬轉(zhuǎn)/分鐘。入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4對透射的入射光束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制以輸出旋轉(zhuǎn)光束，形成繞所述入射光束的光軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的第一光束，所述第一光束光軸旋轉(zhuǎn)全角小于30毫弧度。

在入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之前還設(shè)置有高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2，用于對高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的入射光束1的光束發(fā)散角度進(jìn)行發(fā)散角角度補(bǔ)償，使得激光高速旋轉(zhuǎn)時(shí)候的激光焦點(diǎn)保持在待加工工件10表面或者特定空間加工位置。本實(shí)施例中，所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2包括兩個(gè)串聯(lián)的第一凸透鏡202和第二凸透鏡203，串聯(lián)的第一凸透鏡202和第一凸透鏡203安裝于殼體201內(nèi)，所述殼體201為組合體(圖中沒有標(biāo)示)，使得第一凸透鏡202和第二凸透鏡203之間的間距可調(diào)，實(shí)現(xiàn)對入射光束發(fā)散角的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)激光光束的發(fā)散角補(bǔ)償，本實(shí)施例中，高速 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2位于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之前，可以稱呼為光束發(fā)散角前置補(bǔ)償；實(shí)際上，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2可以位于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之后，可以稱呼為光束發(fā)散角后置補(bǔ)償。實(shí)際上，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2內(nèi)部也可以采用第一凹透鏡204與第三凸透鏡205的組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)光束發(fā)散角補(bǔ)償。如果光束發(fā)散角后補(bǔ)償涉及激光光束旋轉(zhuǎn)角度的縮減，此時(shí)需要考慮旋轉(zhuǎn)楔形鏡片402的角度設(shè)計(jì)，以確保入射激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊8的激光光束旋轉(zhuǎn)角度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6包括兩個(gè)激光光束偏轉(zhuǎn)單元即第一激光光束偏轉(zhuǎn)單元和第二激光光束偏轉(zhuǎn)單元，第一激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括第一擺動(dòng)楔形棱鏡601和用于驅(qū)動(dòng)所述第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的第一電機(jī)，所述第一擺動(dòng)楔形棱鏡601安裝在第一電機(jī)的電機(jī)主軸602上，且第一電機(jī)的電機(jī)主軸602軸向垂直于紙面。第二激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括第二擺動(dòng)楔形棱鏡606和用于驅(qū)動(dòng)所述第二擺動(dòng)楔形棱鏡606的第二電機(jī)604，所述第二擺動(dòng)楔形棱鏡606安裝在第二電機(jī)604的電機(jī)主軸605上。

所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊8為振鏡掃描平場聚焦單元，所述振鏡掃描平場聚焦單元包括掃描振鏡和掃描平場聚焦鏡，所述掃描平場聚焦鏡為普通平場掃描聚焦鏡或遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡等類型。本實(shí)施例中，掃描平場聚焦鏡采用遠(yuǎn)心掃描聚焦鏡808，遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡808的焦距為160毫米，平場聚焦范圍70毫米×70毫米。掃描振鏡包括第一反射鏡片805和第二反射鏡片802。

所述掃描振鏡的第一反射鏡片805安裝在掃描振鏡的第一電機(jī)807的電機(jī)主軸806上。所述掃描振鏡的第二反射鏡片802安裝在掃描振鏡的第二電機(jī)的電機(jī)主軸801上。

所述待加工工件10為76微米厚度雙面柔性銅箔，從外向里的加工層分別為：18微米銅箔+10微米環(huán)氧樹脂膠+20微米聚酰亞胺樹脂+10微米環(huán)氧 樹脂膠+18微米銅箔。

整個(gè)雙面柔性銅箔激光鉆孔的裝置結(jié)構(gòu)中的光路流程如下：入射光束1經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2，輸出發(fā)散角角度補(bǔ)償后的光束3，發(fā)散角角度補(bǔ)償后的光束3經(jīng)入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4中的旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402，輸出第一光束5，第一光束5經(jīng)激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6輸出第二光束7，其中，第一光束5入射激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6中的第一擺動(dòng)楔形棱鏡602后得到擺動(dòng)光束603，所述光束603經(jīng)第二擺動(dòng)楔形棱鏡606輸出第二光束7，所述第二光束7經(jīng)掃描振鏡第一反射鏡片805得到第一反射光束804，所述第一反射光束804經(jīng)掃描振鏡的第二反射鏡片802得到第二反射光束803，所述第二反射光束803經(jīng)遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡808進(jìn)行聚焦，得到聚焦光束809，所述聚焦光束809直接作用于待加工工件10。

所述入射光束1為直徑為7毫米的入射擴(kuò)束準(zhǔn)直光束。

聚焦光束809的相關(guān)參數(shù)如下：激光波長355納米，光束質(zhì)量因子小于1.2，光斑圓度大于百分之九十，平均功率8瓦，單模高斯激光(橫向場強(qiáng)為高斯分布)，脈沖重復(fù)頻率100千赫茲。

所述第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的折射率為1.45，最薄厚度1毫米，最厚厚度3毫米，其兩面均鍍355納米增透膜，可以繞垂直于紙面平板石英第一電機(jī)的電機(jī)主軸602旋轉(zhuǎn)，使得所述第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的入射表面法線與入射光束1的角度α在0～10度范圍內(nèi)變化，并使得擺動(dòng)光束603相對于第一光束5獲得相應(yīng)角度偏轉(zhuǎn)，角度偏轉(zhuǎn)量在0～0.5度范圍之間變化。

所述第二擺動(dòng)楔形棱鏡606與第一擺動(dòng)楔形棱鏡601相同，但其旋轉(zhuǎn)軸(即第二電機(jī)604的電機(jī)主軸605)與第一電機(jī)的電機(jī)主軸602空間交叉。第二電機(jī)304的電機(jī)主軸605控制所述第二擺動(dòng)楔形棱鏡606，使得所述第二擺動(dòng)楔形棱鏡606的入射表面法線與所述擺動(dòng)光束603的角度α為0～10度變化，使得第二光束7相對于擺動(dòng)光束603獲得相應(yīng)角度偏轉(zhuǎn)，角度偏轉(zhuǎn) 量在0～0.5度范圍之間變化。

所述第二擺動(dòng)楔形棱鏡606與第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的運(yùn)動(dòng)對第一光束5進(jìn)行了二維角度調(diào)制，使得第二光束7的運(yùn)動(dòng)軌跡是入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4與激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6雙重調(diào)制結(jié)果。

掃描振鏡的兩片反射鏡片即第一反射鏡片805與第二反射鏡片802相配合，每加工完畢一個(gè)孔，就把聚焦光束809的焦點(diǎn)移動(dòng)到下一個(gè)位置，這種跳轉(zhuǎn)過程中激光是閉光的；當(dāng)所述第一反射鏡片805與第二反射鏡片802再一次鎖定不動(dòng)，此時(shí)激光出光。通過第二擺動(dòng)楔形棱鏡606與第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的運(yùn)動(dòng)控制第二光束7軌跡，例如圓周運(yùn)動(dòng)，圓周直徑100微米，如果旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402鎖定不動(dòng)，所述聚焦光束809會(huì)在工件10相應(yīng)位置上刻劃出150微米直徑圓圈(焦點(diǎn)光斑直徑50微米)，通過第二擺動(dòng)楔形棱鏡606與第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的運(yùn)動(dòng)控制改變第二光束7的軌跡，聚焦光束809會(huì)在待加工工件10的相應(yīng)位置上刻劃出對應(yīng)的輪廓。如果第二擺動(dòng)楔形棱鏡606與第一擺動(dòng)楔形棱鏡601鎖定不動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402與旋轉(zhuǎn)軸線成垂直并進(jìn)行一定速度的旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402由于設(shè)計(jì)好一定楔角，使得第一光束5旋轉(zhuǎn)全角為4毫弧度，那么，聚焦光束809在待加工工件10上形成直徑700微米直徑圓圈(焦點(diǎn)光斑直徑50微米)。如果所述旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402進(jìn)行一定速度的旋轉(zhuǎn)，通過第二擺動(dòng)楔形棱鏡606與第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的運(yùn)動(dòng)控制保持第二光束7的軌跡,例如第二光束7的光軸維持聚焦焦點(diǎn)的100微米的圓圈運(yùn)動(dòng)，那么聚焦光束809會(huì)在待加工工件10的相應(yīng)位置上刻劃出對應(yīng)的填充輪廓(內(nèi)徑625微米，外徑775微米的圓環(huán)填充軌跡)；通過第二擺動(dòng)楔形棱鏡606與第一擺動(dòng)楔形棱鏡601的運(yùn)動(dòng)控制自動(dòng)改變或者動(dòng)態(tài)改變第二光束7的軌跡，那么聚焦光束809會(huì)在待加工工件10的相應(yīng)位置上刻劃出對應(yīng)的填充輪廓也在自動(dòng)改變或者動(dòng)態(tài)改變。所述掃描振鏡用于接收從所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6輸出的第二光束7， 所述第二光束7經(jīng)掃描振鏡反射后射入遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡808，經(jīng)遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡808聚焦形成聚焦光束809，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片偏轉(zhuǎn)達(dá)到控制激光焦點(diǎn)在不同加工單元之間的切換，或在一個(gè)加工單元處的激光出光加工過程中，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片輔助偏轉(zhuǎn)對激光焦點(diǎn)掃描運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)控制。通過這種方法，可以在所述待加工工件10上鉆出所需要的不同孔徑的通孔陣列。

本實(shí)施例采用了掃描平場聚焦鏡作為平場掃描聚焦手段，包括普通平場掃描聚焦鏡和遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡，所述普通平場掃描聚焦鏡或者遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡對光束進(jìn)行聚焦后，激光焦點(diǎn)在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動(dòng)距離與平場掃描聚焦鏡焦距成正比，與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角的變化值成正比，一旦平場掃描聚焦鏡選定，平場掃描聚焦鏡焦距就確定，那么激光焦點(diǎn)在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動(dòng)距離理論上只與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角變化值成正比。所有平行激光束在入射同一個(gè)掃描平場聚焦鏡且平行激光束入射掃描平場聚焦鏡的方位(角度與位移)均在所述平場聚焦鏡設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，所有平行入射的激光束均聚焦于掃描平場聚焦鏡焦平面上同一個(gè)點(diǎn)。因此，所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊對光束的傳輸角度改變對激光焦點(diǎn)在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面的移動(dòng)距離有貢獻(xiàn)，在改變光束傳輸角度的同時(shí)帶來的光束平移，對激光焦點(diǎn)在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面的移動(dòng)距離沒有貢獻(xiàn)。

通過改變第一擺動(dòng)楔形棱鏡601、第二擺動(dòng)楔形棱鏡606的厚度或折射率，可以改變擺動(dòng)光束603和第二光束7的掃描偏轉(zhuǎn)角度大??；通過改變旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡402的楔角或折射率，可以改變第一光束5的旋轉(zhuǎn)全角。所有光束傳輸角度的變化都會(huì)體現(xiàn)在掃描平場聚焦鏡掃描聚焦平面上激光焦點(diǎn)的相對位移。

所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件在超過6萬轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)中心部位的離心力最小，隨著旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)半徑增加，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件邊緣承受最大離心力，此時(shí)，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)中心部位材料受到最大拉應(yīng)力，對應(yīng)部位材料折射率最小，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)邊緣部位材料受到最小拉應(yīng)力，對應(yīng)部位材料折射率最大；轉(zhuǎn)速越大，所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件中心和邊緣的折射率差越大，形成更為明顯凹透鏡現(xiàn)象，所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊，可以位于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊之前，并對所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊輸出光束進(jìn)行發(fā)散角角度補(bǔ)償，保持入射所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊的光束發(fā)散角，使得所述聚焦光束的激光焦點(diǎn)始終處于掃描平場聚焦鏡的聚焦平面上或者處于始終處于待加工工件的表面或者特定空間加工位置。

參見圖2，所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件的原理為：其中，14為高速旋轉(zhuǎn)鏡片，圖中1401/1402/1403/1404/1405分別為在鏡片上假想的同心圓，同心圓的圓心為鏡片旋轉(zhuǎn)中心，每一個(gè)圓所處位置處的光學(xué)材料受到相同的離心力，內(nèi)圓上的材料本身離心力小，但是由于受到外圓上材料的離心拉力，內(nèi)圓上材料的力包括自身材料的離心力和外圓上材料的離心力的和力，因此越是內(nèi)圓上的材料，所受拉力就越大，即1405圓圈上材料所受的拉力大于1404圓圈上材料所受的拉力，1404圓圈上材料所受的拉力大于1403圓圈上材料所受的拉力，1403圓圈上材料所受的拉力大于1402圓圈上材料所受的拉力，1402圓圈上材料所受的拉力大于1401圓圈上材料所受的拉力。高速旋轉(zhuǎn)鏡片14的旋轉(zhuǎn)中心所受拉力最大。光學(xué)材料所受拉力越大，光學(xué)材料折射率越小，旋轉(zhuǎn)鏡片中心承受拉力最大，折射率最小，高速旋轉(zhuǎn)鏡片四周承受拉力最小，折射率最大，因此，平面的高速旋轉(zhuǎn)鏡片14就會(huì)變成發(fā)散凹透鏡。

進(jìn)一步從公式上描述，等厚旋轉(zhuǎn)圓盤以等角速度ω繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，若材料的密度為ρ，則旋轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)的徑向離心力為：

f_r＝ρω²r；

其中ρ為材料密度，ω為轉(zhuǎn)速，r為旋轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)距離旋轉(zhuǎn)中心的距離，即旋轉(zhuǎn)半徑。

上述同心圓盤圓心，即圓盤旋轉(zhuǎn)中心在旋轉(zhuǎn)截面上的應(yīng)力積分：

${\∫}_0^r{f}_{r}dr={\∫}_0^r{\mathrm{\ρ\ω}}^{2}rdr=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\ω}}^2{r}^2$

上述公式表明，半徑越大，旋轉(zhuǎn)中心所受拉力越大。旋轉(zhuǎn)速度越大，旋轉(zhuǎn)中心所受拉力越大。

本實(shí)施例中所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2位于所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4前面，兩個(gè)串聯(lián)的第一凸透鏡202和第二凸透鏡203均鍍有355nm增透膜，當(dāng)所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4的激光光束旋轉(zhuǎn)單元進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一光束5也會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速超過6萬轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)，其發(fā)散角開始發(fā)散，轉(zhuǎn)速越高，發(fā)散越厲害，聚焦光束809的激光焦點(diǎn)開始遠(yuǎn)離遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡808，即激光焦點(diǎn)離開了待加工材料10的加工表面，此時(shí)可以調(diào)整兩個(gè)凸透鏡202和203之間的間距，壓縮所輸出光束的光束發(fā)散角，使得聚焦光束809的激光焦點(diǎn)保持在待加工材料10的加工表面；第一光束5轉(zhuǎn)速越高，越需要進(jìn)一步壓縮所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2所輸出光束的光束發(fā)散角，使得聚焦光束809的激光焦點(diǎn)保持在待加工工件10的加工表面。當(dāng)然，如果是圖4所述的情形，需要調(diào)整第一凹透鏡204和第三凸透鏡205之間的間距，進(jìn)而調(diào)整所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2所輸出光束的光束發(fā)散角，使得聚焦光束809的激光焦點(diǎn)保持在待加工工件10的加工表面，這是本申請的發(fā)明點(diǎn)之一。

本實(shí)施例采用了掃描平場聚焦鏡作為平場掃描聚焦手段，所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6對光束的傳輸角度改變對激光焦點(diǎn)在掃描平場聚焦鏡的聚焦 平面的移動(dòng)距離有線性關(guān)系，在改變光束傳輸角度的同時(shí)帶來的光束平移，對激光焦點(diǎn)在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面的移動(dòng)距離沒有貢獻(xiàn)。本實(shí)施例將激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之后，因?yàn)樗黾す夤馐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6對激光光束進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)時(shí)候，同時(shí)伴隨著空間位移，即會(huì)改變激光光束在光學(xué)鏡片上的入射點(diǎn)，如果將所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之前，那么就要求入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4具備比較大的通光孔徑，這樣直接導(dǎo)致了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4旋轉(zhuǎn)速度無法進(jìn)一步提高，速度越高的光束旋轉(zhuǎn)模塊，其光學(xué)孔徑是越小的。因此，本實(shí)施例將所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之后。本實(shí)施例將激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之后，降低了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊的光學(xué)入射孔徑的要求，有利于進(jìn)一步提高主軸旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)，通光孔徑的降低也降低了旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的直徑，因而降低了旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的拉應(yīng)力，降低了旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的發(fā)散特性能力，更有利于減少旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)漂移的距離。這是本申請的發(fā)明點(diǎn)之二，其好處是所述第一光束5可以獲得更高的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，例如36萬轉(zhuǎn)每秒，如果激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之前，由于需要較大的輸入光學(xué)孔徑(例如，激光偏轉(zhuǎn)20毫弧度，偏轉(zhuǎn)棱鏡鏡片離光學(xué)旋轉(zhuǎn)單元至少200毫米，這樣，僅僅是光束入射點(diǎn)的偏移距離就是20毫弧度*200毫米＝4毫米，加上8～10毫米光斑直徑，再加上余量，因?yàn)榧す馐豢梢越佑|到旋轉(zhuǎn)氣浮電主軸，因而所對應(yīng)的氣浮電主軸內(nèi)空孔徑至少需要15毫米，那種電主軸最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不超過12萬轉(zhuǎn)每分鐘)，只有選擇旋轉(zhuǎn)速度較慢一些的高速旋轉(zhuǎn)模塊，導(dǎo)致第一光束旋轉(zhuǎn)速度上不來，極大影響了加工效率。所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6與所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4的相對位置的不同，結(jié)果差異十分巨大，選擇將激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6位于所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之后，這是本申請的另一個(gè)發(fā)明點(diǎn)。

所述遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡808的加工范圍畢竟還是有限，如果加工幅面還不夠大，實(shí)際上還可以把所述待加工工件10置于移動(dòng)平臺(tái)上，這樣可以實(shí)現(xiàn)大范圍的激光加工，實(shí)踐中激光加工掃描范圍面積一般超過200毫米×200毫米的通常稱為大面積。

本實(shí)施例這種加工方式的好處是，用高斯激光實(shí)現(xiàn)平頂激光加工效果，同時(shí)保留高斯激光長焦深和高斯分布光強(qiáng)的激光加工特點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于需要平頂激光加工或者微小范圍均勻快速填充掃描的領(lǐng)域，加工效果優(yōu)于平頂激光且控制非常簡單。

實(shí)施例2：

圖3為金屬箔激光鉆孔系統(tǒng)示意圖，如圖3所示：包括入射光束1、高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2、入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4和激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊8。

所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4和激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊8與實(shí)施例1相同。

在入射光束1與入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之間設(shè)置有高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2，用于對高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散角度補(bǔ)償，使得激光高速旋轉(zhuǎn)時(shí)候的激光焦點(diǎn)保持在掃描平場聚焦鏡的聚焦焦平面上。本實(shí)施例中，所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2包括第一凹透鏡204和第三凸透鏡205，所述第一凹透鏡204與第三凸透鏡205安裝于殼體201內(nèi)，所述殼體201為組合體(圖中沒有標(biāo)示)，使得第一凹透鏡204和第三凸透鏡205之間的間距可調(diào)，實(shí)現(xiàn)輸出激光束發(fā)散角的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)激光光束的發(fā)散角補(bǔ)償，本實(shí)施例中，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2位于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之前，可以稱呼為光束發(fā)散角前置補(bǔ)償；實(shí)際上，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2可以位于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4之后，可以稱呼為光束發(fā)散角后補(bǔ)償，此時(shí)需要考慮旋轉(zhuǎn)楔形鏡片402的角度設(shè)計(jì)，以確保入射 到激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊的激光光束旋轉(zhuǎn)角度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

所述待加工工件10為厚度分別為50微米銅箔、100微米的不銹鋼薄片。

本實(shí)施例光路流程與實(shí)施例1類似，只是本實(shí)施的金屬箔激光鉆孔系統(tǒng)在入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊2之后沒有設(shè)置激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)行模塊6。

所述入射光束1為直徑為7毫米的入射擴(kuò)束準(zhǔn)直光束，聚焦光束809的相關(guān)參數(shù)與實(shí)施例1同。

所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件在超過6萬轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)中心部位的離心力最小，隨著旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)半徑增加，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件邊緣承受最大離心力，此時(shí)，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)中心部位材料受到最大拉應(yīng)力，對應(yīng)部位材料折射率最小，旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)邊緣部位材料受到最小拉應(yīng)力，對應(yīng)部位材料折射率最大；轉(zhuǎn)速越大，所述旋轉(zhuǎn)透射光學(xué)元件中心和邊緣的折射率差越大，形成更為明顯凹透鏡現(xiàn)象，所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊，可以位于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊之前，并對所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直補(bǔ)償，保持入射所述激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊的光束發(fā)散角，使得所述聚焦光束的激光焦點(diǎn)處于掃描平場聚焦鏡的聚焦平面上。

本實(shí)施例中所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2可以由擴(kuò)束器擔(dān)任，該擴(kuò)束器同時(shí)具備激光擴(kuò)束功能和高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償功能，所述擴(kuò)束器位于所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4前面，第一凹透鏡204與第三凸透鏡205均鍍有355nm增透膜，當(dāng)所述入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4的激光光束旋轉(zhuǎn)單元進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一光束5也會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速超過6萬轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)，聚焦光束809的激光焦點(diǎn)開始遠(yuǎn)離遠(yuǎn)心平場掃描聚焦鏡808，即激光焦點(diǎn)離開了待加工工件10的加工表面，此時(shí)可以調(diào)整第一凹透鏡204與第三凸透鏡205之間的間距，壓縮所輸出光束的光束發(fā)散角，使得聚焦光束809 的激光焦點(diǎn)保持在待加工材料10的加工表面；第一光束5轉(zhuǎn)速越高，也需要進(jìn)一步壓縮所述高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2所輸出光束的光束發(fā)散角，使得聚焦光束809的激光焦點(diǎn)保持在待加工材料10的加工表面。這是本申請的發(fā)明點(diǎn)之一。

本實(shí)施例這種加工方式的好處是，針對不同的加工材料，需要或者同一種材料不同的加工部位，需要不同的激光轉(zhuǎn)速時(shí)，可以保持激光焦點(diǎn)處于待加工材料表面，使得入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本實(shí)施例用高斯激光實(shí)現(xiàn)平頂激光加工效果，同時(shí)保留高斯激光長焦深和高斯分布光強(qiáng)的激光加工特點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于需要平頂激光加工或者微小范圍均勻快速填充掃描的領(lǐng)域，加工效果優(yōu)于平頂激光且控制非常簡單。

實(shí)施例3：

圖4為多層柔性電路板激光鉆孔系統(tǒng)示意圖，如圖4所示：包括入射光束1、高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2、入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4、激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6和激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊8。

本實(shí)施例與前述實(shí)施例1的區(qū)別在于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2內(nèi)部透鏡組由第一凹透鏡204和第三凸透鏡205組成，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償模塊2在本實(shí)施例中其實(shí)具備激光擴(kuò)束功能和高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償功能。

本實(shí)施例在高速旋轉(zhuǎn)光束發(fā)散補(bǔ)償機(jī)制方面與實(shí)施例2相同。相比較實(shí)施例2，還包括：在入射光束旋轉(zhuǎn)模塊4與激光聚焦與焦點(diǎn)切換模塊8之間，還設(shè)置有激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6。所述第一光束5發(fā)射至位于所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6中的激光光束偏轉(zhuǎn)單元，并輸出第二光束7，所述激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6采用偏轉(zhuǎn)方式調(diào)節(jié)所述第二光束7的運(yùn)動(dòng)軌跡輪廓大小，所述第二光束7的光束運(yùn)動(dòng)是入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4與激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 模塊6共同調(diào)制或者由入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊4單獨(dú)調(diào)制運(yùn)動(dòng)。

相比較實(shí)施例2，本實(shí)施例的待加工工件10為不同材料疊加而成的多層加工層，入射光束1的脈沖能量根據(jù)加工不同層不同材料時(shí)，其脈沖能量或者峰值功率可以動(dòng)態(tài)切換。

本實(shí)施例的好處是引入了激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊6，它可以高精度高速度控制第一光束的微小運(yùn)動(dòng)，特別適合于微孔(小于100微米)的填充鉆孔。

上述實(shí)施例只是本申請的典型應(yīng)用，實(shí)際上其原理應(yīng)用不限于上面情形，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。

本實(shí)用新型提出的一種激光鉆孔系統(tǒng)，引入了高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)光束發(fā)散補(bǔ)償機(jī)制，使得激光高速旋轉(zhuǎn)時(shí)候，激光焦點(diǎn)保持在待加工工件表面或者特定空間位置，獲得穩(wěn)定高效的激光填充鉆孔效果；將激光光束偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊置于入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊之后，降低了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊通光孔徑要求，降低了高速旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的光束發(fā)散特性，同時(shí)極大提升了入射光束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速上限，獲得更快的激光光束旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，因而獲得高效精確復(fù)雜的激光光束鉆孔或者填充鉆孔運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明特別適合于薄材料群孔加工，也特別適合用于一些脆硬材料的銑削與鉆孔加工，相比傳統(tǒng)激光銑削加工，本方案加工均勻性和加工效率與質(zhì)量大幅度提高。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“實(shí)施例一”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體方法、裝置或者特點(diǎn)包含于本實(shí)用新型的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、方法、裝置或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。