專利名稱：一種基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)及方法，屬于激光精細加工技術(shù)應(yīng)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(xué)科綜合技術(shù)，在汽車、微電子、光通訊、航天航空、生物醫(yī)學(xué)、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(yīng)用，改進或取代了某些傳統(tǒng)加工方式。目前世界上半導(dǎo)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(dǎo)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。當(dāng)前異形微孔成型技術(shù)主要應(yīng)用有噴氣發(fā)動機或氣輪機葉片冷卻孔，動力總成部件的潤滑孔，紡織噴絲板，各種襯底材料表面微結(jié)構(gòu)化，汽車噴油嘴各種異形孔，化工及生物制藥用過濾網(wǎng)、篩，微創(chuàng)醫(yī)用植入體，太陽能電池、半導(dǎo)體照明等新興產(chǎn)業(yè)。根據(jù)不同的應(yīng)用，這些微孔具有各種軌跡的幾何外形，從圓柱體到圓錐體、槽形或特定外形。傳統(tǒng)的機械打孔或沖孔等加工方式已無法滿足需求。目前，激光微孔成型技術(shù)主要有三種固定光束脈沖加工單兀微孔、振鏡掃描和精確螺旋狀鉆孔。一、固定光束脈沖加工單元微孔是由固定焦距激光聚焦鏡及移動工件來完成，提供了高精度和高準確性，并能得到激光加工光學(xué)系統(tǒng)所限的最小微孔直徑。但這種方式只能加工圓孔，而且如想得到不同的微孔直徑，只能靠改變聚焦鏡頭焦距來實現(xiàn)。二、振鏡掃描定位速度快，由于振鏡的高速響應(yīng)，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形孔，比如方孔、三角形孔、星形孔等，但由于振鏡電機存在角度分辨率和溫漂的問題，在微孔加工時不但輪廓不好，而且不能得到高重復(fù)性，因此缺乏在大范圍的局部小區(qū)域內(nèi)的高定位精度，在小孔直徑小于250微米時不宜采用此方案。三、精確螺旋狀鉆孔是指通過各種
光學(xué)元器件使得激光加工光束偏離小孔中心，再由高速電機帶動旋轉(zhuǎn)，使得小孔邊緣的熱效應(yīng)降到最低，孔徑大小和孔的錐度可以由軟件來控制，并能實現(xiàn)通孔和盲孔的加工，但只能加工圓孔，無法像振鏡掃描一樣加工異形孔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有激光微孔成型技術(shù)的缺點，提供一種基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)。本發(fā)明的基本原理平行平板是由二個相互平行的折射平面構(gòu)成有一定厚度D的光學(xué)元件，是個無光焦度器件，不會使物體放大或縮小，在系統(tǒng)中對光焦度無貢獻；入射光線經(jīng)平行平板后出射方向不變，但相對光軸會有一位移量L。假設(shè)平行平板折射率為n，其相對激光束光軸的角度為"(

圖1)，根據(jù)光學(xué)折射定律(snell定律)和三角函數(shù)公式推導(dǎo)
權(quán)利要求
1.一種基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)，包括高光束質(zhì)量激光輸出系統(tǒng)、聚焦鏡組、光束掃描系統(tǒng)、調(diào)焦機構(gòu)、加工件吸附定位位移系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述光束掃描系統(tǒng)為一折射式掃描系統(tǒng)，它包括兩個平行平板、兩個振鏡電機以及相應(yīng)的控制模塊，兩個平行平板具有相同厚度，其入光面和出光面均鍍有對應(yīng)激光波長的增透膜，兩個振鏡電機帶動平行平板相對入射光束快速偏轉(zhuǎn)掃描，兩個平行平板偏轉(zhuǎn)掃描方向互相垂直，它們的組合運動使得激光束在工件表面走出任意形狀的加工軌跡，通過振鏡電機的控制模塊，根據(jù)異形微孔激光加工軌跡控制兩個平行平板相對入射光束的光軸快速偏轉(zhuǎn)掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)，其特征在于，所述高光束質(zhì)量激光輸出系統(tǒng)，包括激光器、光束擴束及激光傳輸系統(tǒng)，米用輸出納秒或更短脈寬的全固態(tài)脈沖激光器，采用電腦控制激光的開關(guān)信號及調(diào)節(jié)激光器的輸出功率和重復(fù)頻率，經(jīng)由擴束鏡擴束和激光傳輸系統(tǒng)的傳輸至聚焦鏡組處。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦鏡組是使激光平行光束經(jīng)聚焦鏡組聚焦后在加工工件上的光斑達到或接近衍射極限，并使其工作距離長達能使激光聚焦鏡組和工件之間的光路中容納折射式掃描系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)焦機構(gòu)，聚焦鏡組和折射式掃描系統(tǒng)作為整體由調(diào)焦機構(gòu)調(diào)節(jié)與加工工件之間的距離，使加工面位于激光聚焦鏡組的焦平面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)，其特征在于，所述加工件吸附定位位移系統(tǒng)，包括加工件安裝機構(gòu)及二維位移平臺，安裝機構(gòu)具有定位套準功能，并使加工件的表面水平及平整；微孔加工的中心位置是由高精度的二維工作位移平臺來實現(xiàn)，其定位精度及重復(fù)定位精度均優(yōu)于5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)中加裝運動控制卡，同步控制激光開關(guān)、激光器輸出功率和重復(fù)頻率調(diào)節(jié)、控制平行平板相對入射光軸分別向兩個垂直方向的偏轉(zhuǎn)掃描、激光調(diào)焦及二維工作位移平臺的運動和定位套準，所述的計算機軟件系統(tǒng)主要包括 (1)激光器控制模塊控制激光的開關(guān)、調(diào)節(jié)激光器輸出功率和重復(fù)頻率工作參數(shù)； (2)振鏡掃描控制模塊控制振鏡電機帶動平行平板分別相對激光光軸的兩個垂直方向作偏轉(zhuǎn)掃描； (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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于折射式掃描系統(tǒng)的激光異形微孔的加工系統(tǒng)，包括高光束質(zhì)量激光輸出系統(tǒng)、聚焦鏡組、光束掃描系統(tǒng)、調(diào)焦機構(gòu)、加工件吸附定位位移系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，其特點是所述光束掃描系統(tǒng)為折射式掃描系統(tǒng)，它包括兩片有相同厚度的平行平板，它們相互平行并垂直于激光光路，并被分別安裝在兩個振鏡電機上。振鏡電機帶動平行平板相對激光光束偏轉(zhuǎn)掃描，使得激光光束通過這兩片平行平板后相對原傳輸光路有一個微小位移。位移值由平行平板與傳輸光路之間的夾角決定，通過折射式掃描系統(tǒng)快速改變夾角，可以實現(xiàn)激光束在工件上的任意形狀微孔成型加工。
文檔編號B23K26/38GK102615425SQ20121011728
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者姜兆華, 安博言, 張偉, 潘涌, 陳俊, 駱公序 申請人:上海市激光技術(shù)研究所