用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學(xué)掃描系統(tǒng)及打孔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學(xué)掃描系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[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(gè)或者多個(gè)激光脈沖作用在同一個(gè)位置，通過(guò)重復(fù)沖擊進(jìn)行鉆孔。沖擊鉆孔的方式會(huì)造成激光能量分布不均勻，光斑中間能量更強(qiáng)，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(duì)下一個(gè)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(xué)掃描系統(tǒng)，使一束錐角細(xì)小的光束，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式達(dá)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(shù)方案是:
[0006]提供一種用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學(xué)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(guò)聚焦鏡匯聚后，再通過(guò)平行平板進(jìn)行光束平移，平移光束最后經(jīng)過(guò)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(xué)掃描系統(tǒng)中，該旋轉(zhuǎn)軸上物體的質(zhì)量呈對(duì)稱分布。
[0009]本發(fā)明所述的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學(xué)掃描系統(tǒng)中，平行平板和楔形鏡分別通過(guò)兩個(gè)質(zhì)量對(duì)稱的電機(jī)控制，電機(jī)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(xué)掃描系統(tǒng)中，所述電機(jī)為空軸的外部驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0011]本發(fā)明所述的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學(xué)掃描系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還包括擴(kuò)束鏡，置于聚焦鏡前方，激光先經(jīng)擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)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(dá)平行平板，根據(jù)平行平板的傾斜角度α，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸有一定平移量;
[0015]經(jīng)過(guò)平行平板進(jìn)行平移后，光束通過(guò)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(guò)傾斜的平行平板的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得旋轉(zhuǎn)的孔徑，再通過(guò)楔形鏡收斂激光的發(fā)散角，并傾斜光束。旋轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)螺旋前進(jìn)的方式進(jìn)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(guò)擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)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(duì)稱分布，以在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)降低慣性擺動(dòng)。
[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(xué)掃描系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)傾斜的平行平板的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)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(guò)螺旋前進(jìn)的方式進(jìn)行鉆孔。本發(fā)明中由于旋轉(zhuǎn)時(shí)光束能量分布更均勻，并且光束錐角小，螺旋前進(jìn)的深度更大，可以進(jìn)行高深寬比的深度精密鉆孔。此外本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，比傳統(tǒng)三光楔的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單容易控制。
[0023]進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)軸上質(zhì)量對(duì)稱分布可以顯著減小電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)造成的慣性擺動(dòng)，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(shuō)明】
[0024]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中:
[0025]圖1是本發(fā)明實(shí)施例用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學(xué)掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實(shí)施例光束在工件上切孔時(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑；
[0027]圖3是本發(fā)明實(shí)施例楔形鏡角度保持不變，平行平板的角度α改變時(shí)所形成不同位置的圓孔的示意圖；
[0028]圖4是本發(fā)明實(shí)施例平行平板保持不變，楔形鏡的傾角β改變時(shí)所形成不同位置的圓孔的不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(xué)掃描系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)傾斜的平行平板的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)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(guò)螺旋前進(jìn)的方式進(jìn)行鉆孔。本發(fā)明由于旋轉(zhuǎn)時(shí)光束能量分布更均勻，并且光束錐角小，螺旋前進(jìn)的深度更大，可以進(jìn)行高深寬比的深度精密鉆孔。
[0031]本發(fā)明實(shí)施例的用于激光旋轉(zhuǎn)打孔的光學(xué)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(guò)聚焦鏡10匯聚后，再通過(guò)平行平板20進(jìn)行光束平移，平移光束最后經(jīng)過(guò)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(xué)部分通過(guò)聚焦鏡10、平行平板20和楔形鏡30，分別實(shí)現(xiàn)聚焦、平移和傾斜的光學(xué)傳輸功能。圖1展示了沿著光軸傳播，經(jīng)過(guò)聚焦鏡10后，匯聚的光束通過(guò)傾斜的平行平板20后被平移，再通過(guò)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(jī)控制進(jìn)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(dá)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(guò)程中工件的污染物不會(huì)造成對(duì)聚焦鏡10的污染。另外，長(zhǎng)焦距通常意味著更長(zhǎng)的焦深，使得在一個(gè)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(huì)放擴(kuò)束鏡(圖中未示出)對(duì)先對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束，以獲得接近于平行光的光束。在精密加工時(shí)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(guò)傾斜，對(duì)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(guò)高速旋轉(zhuǎn)，激光束就會(huì)畫一個(gè)圓圈，形成旋轉(zhuǎn)切孔。同時(shí)此平移量可以通過(guò)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(duì)光束的角度有偏轉(zhuǎn)作用，且總是向鏡片尺寸更