CN106312335A - 一种激光钻孔与钻孔填充***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光钻孔与钻孔填充***及方法，所述的***包括激光光源模块、入射光束旋转运动模块、光束旋转角度压缩倍率可调模块和激光聚焦与焦点切换模块。本发明引入了光束旋转角度压缩倍率可调模块，使得激光高速旋转时，调整光束旋转角度压缩倍率可调模块的光束旋转角度压缩倍率，实现聚焦光束的聚焦焦点的旋转运动轨迹直径的调整，使得聚焦焦点旋转运动轨迹直径与钻孔孔径可调完美结合；以及引入扩束倍率补偿模块，使得光束旋转角度压缩倍率可调模块对入射旋转光束进行旋转角度压缩时，对应的改变了入射旋转光束的入口光斑直径，保障了聚焦光束的聚焦焦点光斑直径的稳定，有利于激光加工工艺的稳定和加工效果。

Description

一种激光钻孔与钻孔填充***及方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光钻孔与钻孔填充***及方法。

背景技术

激光钻孔领域，激光焦点在孔和孔之间切换，目前振镜扫描是比较成熟的最快的切换方式，表现在高的加减速、位移线速度以及定位速度。二维位移平台是很慢的一种方式，一般很少采用了。

采用高速旋转光学元件旋转获得旋转光束用于激光加工，由于动平衡问题，光学元件做不到很复杂，尺寸也做不大，因此高速旋转光束的旋转角度做不到可调整，但是实际应用中，所需要加工的孔的直径确实随时需要改变的，在高速旋转钻孔和孔径需要柔性改变之间存在巨大挑战。

发明内容

本发明提供了一种激光钻孔与钻孔填充***及方法，解决了现有技术的缺陷和不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种激光钻孔与钻孔填充***，包括激光光源模块、入射光束旋转运动模块、光束旋转角度压缩倍率可调模块和激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光光源模块，用于产生入射光束，并入射所述入射光束旋转运动模块；

所述入射光束旋转运动模块，用于对入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；所述入射光束旋转运动模块包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述旋转透射光学元件作旋转运动的驱动装置；

所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，用于对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；

其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；

针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。

本发明的有益效果为：在整个钻孔填充***中引入了光束旋转角度压缩倍率可调模块，使得激光高速旋转时，调整光束旋转角度压缩倍率可调模块的光束旋转角度压缩倍率，实现聚焦光束的聚焦焦点的旋转运动轨迹直径的调整，使得焦点旋转运动轨迹直径与钻孔孔径可调完美结合，提高激光的加工效率，也可以柔性改变高速旋转激光钻孔的孔径大小。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或衍射体光栅或光楔，所述驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的电机主轴上；所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机。

所述进一步的有益效果为：由于驱动装置可以采用气浮空心主轴电机或者磁浮空心主轴电机，可以控制激光光束旋转单元高速或超高速旋转，极大提高其激光运动加工效率。

其中，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点光斑直径跟随调整，在没有其他措施条件下，第二光束光束直径会变大，对应的述聚焦光束的聚焦焦点光斑直径会变小，需要采取包括调整入射光束的脉冲能量大小或者脉宽长短在内的措施，维持激光聚焦焦点激光峰值功率密度基本恒定。第二光束光束直径会变大，对应的述聚焦光束的聚焦焦点光斑直径会变小，这是高斯光束基本的激光传输聚焦规律。对于不同直径的激光聚焦光斑，入射激光的激光能量、激光脉冲重复频率和激光脉冲宽度等激光参数需要对应调整，对于获得优质的激光钻孔效果是有好处的。

进一步的，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜；

所述光束旋转角度压缩倍率可调模块输出的第二光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，再经所述扫描平场聚焦镜聚焦形成聚焦光束，其中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片偏转达到控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间的切换，或者在一个加工单元处的激光出光加工过程中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片辅助偏转对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制。

所述进一步的有益效果为：本申请采用了平场扫描聚焦镜作为平场扫描聚焦手段，平场扫描聚焦镜对光束进行聚焦后，激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离与平场扫描聚焦镜焦距成正比，与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角的变化值成正比，一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚焦镜焦距就确定，那么激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离理论上只与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角变化值成正比。所有平行激光束在入射同一个平场聚焦镜且平行激光束入射平场聚焦镜的方位(角度与位移)均在所述平场扫描聚焦镜设计范围内时，所有平行入射的激光束均聚焦于平场聚焦镜焦平面上同一个点。光束旋转角度压缩倍率可调模块对激光束旋转角度的压缩，直接体现在聚焦光束的激光焦点旋转直径的变化上面。光束旋转角度压缩倍率可调模块配合振镜扫描平场聚焦单元对激光束的高速位移切换能力和大范围区域扫描加工能力，可以达到大范围、高速高质量、孔径可变的微孔钻孔的目的，也非常适合于横截面变化的盲槽或者一次加工多种孔径的盲孔激光铣削加工。

进一步的，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和透镜组，所述透镜组安装于壳体内，所述透镜组包含至少四个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述第一光束的空间旋转角度的压缩，还可以同时调整所述第二光束的发散角从而调整聚焦光束的聚焦焦点的空间位置，使得所述聚焦焦点始终处于待加工工件表面。

所述光束旋转角度压缩倍率可调模块最典型的表现形式就是电动可调扩束器，可以随时电控调整扩束倍率的大小。一般而言，扩束倍率就是光束旋转角度压缩倍率，在调整光束旋转角度压缩倍率时，注意保持第二光束的光束发散角，确保激光焦点始终保持在待加工工件的待加工位置。

进一步的，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和棱镜组，所述棱镜组安装于壳体内，所述棱镜组包含至少二个串联的棱镜，通过改变所述棱镜组内的多个棱镜之间的空间位置关系实现对所述第一光束的空间旋转角度的压缩，还可以同时调整所述第二光束的发散角从而调整所述聚焦光束的聚焦焦点的空间位置，使得所述聚焦焦点始终处于待加工工件表面。

所述棱镜组，最典型的就是棱镜对(2个棱镜构成)，或者由3到4个棱镜构成的棱镜组，具备激光扩束功能。与透镜组构成的扩束器一样，棱镜组的扩束倍率就是光束旋转角度压缩倍率，旋转棱镜角度可以实现扩束倍率的变化。

所述进一步的有益效果为：同一工序条件下，高速进行不同孔径的通孔或者盲孔加工，光束旋转角度压缩倍率可调模块能够通过调整多个透镜之间的间距或者调整多个棱镜之间的空间位置关系来实现实时对高速旋转激光光束的空间旋转角度的压缩，或者进一步调整第二光束的发散角从而调整激光焦点的空间位置，使得激光聚焦焦点始终处于待加工工件表面，提高激光加工效率。

进一步的，还包括扩束倍率补偿模块，所述扩束倍率补偿模块位于所述激光光源模块与所述入射光束旋转运动模块之间，用于对所述激光光源模块产生的入射光束进行扩束，所述扩束后的光束入射所述入射光束旋转运动模块；

其中，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行大倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行小倍率扩束，或者，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行小倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行大倍率扩束，使得第二光束的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束的聚焦焦点光斑直径保持恒定或者基本恒定。

所述进一步的有益效果为：在第二光束的光束直径基本不变的条件下，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对光束旋转角度的压缩倍率范围可以增加，进而增加了聚焦光束的聚焦焦点的钻孔孔径范围。

进一步的，所述扩束倍率补偿模块包含壳体和透镜组，所述透镜组安装于壳体内，所述透镜组包含至少二个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述入射光束扩束倍率的调整或者发散角的调整，通过发散角的调整改变所述光束旋转角度压缩倍率可调模块的入射光束的入口光斑直径。

其中，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块与所述扩束倍率补偿模块协调动作会有更好的效果，比如，快速切换钻孔孔径。

本申请的工作原理如下：入射激光经过入射光束旋转运动模块后，输出高速旋转光束，即第一光束，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，输出第二光束，所述第二光束入射激光聚焦与焦点切换模块，获得聚焦光束，在聚焦镜焦距确定情况下，聚焦光束的运动圆周轨迹直径由聚焦光束激光焦点光斑直径和所述第二光束旋转全角决定。入射光束旋转运动模块一旦确定，所述第一光束的旋转全角就确定了，因而由所述光束旋转角度压缩倍率可调模块调整光束旋转角度压缩倍率获得所需要的第二光束旋转全角决定；如果激光焦点需要进行一系列同心圆轨迹运动，则由所述光束旋转角度压缩倍率可调模块调整光束旋转全角压缩倍率，获得一系列对应旋转全角的第二光束即可；如果激光焦点需要进行螺旋线轨迹运动，则由所述光束旋转角度压缩倍率可调模块连续调整光束旋转全角压缩倍率，使得第二光束的旋转全角连续调整，从而达到本申请的目的。

另一方面，还提供了一种激光钻孔与钻孔填充方法，包括：

S1，由激光光源模块产生的入射光束入射至入射光束旋转运动模块；

S2，入射光束旋转运动模块对入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

S3，光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

S4，激光聚焦与焦点切换模块对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；

其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；

针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。

本发明的有益效果为：对入射光束进行传输方位旋转调制，第一光束可以运转到6万转以上，甚至几十万转每分钟，提供了强大的高效高质量钻孔潜力；引入了光束旋转角度压缩倍率可调模块，实现了不同孔径的通孔的旋切钻孔，不同孔径的盲孔填充钻孔；辅以激光聚焦与焦点切换模块，实现大范围群孔快速位置切换。激光的高速旋转(光束旋转角度固定)与光束旋转角度压缩倍率可调，两者缺一不可，否则无法进行高效的不同孔径通孔或者盲孔的激光加工。

在上述技术方案的基础上，还可以作如下改进。

进一步的，在所述激光光源模块与所述入射光束旋转运动模块之间设置扩束倍率补偿模块，对所述激光光源模块产生的入射光束进行扩束，所述扩束后的光束入射所述入射光束旋转运动模块；

其中，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行大倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行小倍率扩束，或者，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行小倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行大倍率扩束，使得第二光束的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束的聚焦焦点聚焦光斑直径保持恒定或者基本恒定。

所述进一步的有益效果为：在第二光束的光束直径基本不变条件下，这样的好处是除了保持激光加工工艺的稳定性外，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对光束旋转角度的压缩倍率范围还可以增加，进而增加了聚焦光束的聚焦焦点的钻孔孔径范围。

进一步的，所述待加工工件由不同材料的加工层组成的，所述入射光束根据加工层的不同材料，其脉冲能量或者脉冲峰值功率可动态调整。

所述进一步的有益效果为：入射激光脉冲能量动态变化，大大拓宽了激光钻孔工艺的延展性，加大了激光钻孔范围，提高激光钻孔质量。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种硅晶圆激光钻孔***结构示意图；

图2为实施例1中激光焦点同心圆轨迹图；

图3为实施例1中激光焦点螺旋线轨迹图；

图4为实施例1中激光聚焦焦点钻孔轨迹图；

图5为实施例2的一种低温共烧陶瓷激光钻孔***结构示意图；

图6为实施例3的一种激光钻孔与钻孔填充方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

1、激光光源模块，2、扩束倍率补偿模块，21、第一壳体，22、补偿凹透镜，23、补偿凸透镜，3、入射光束，5、入射光束旋转运动模块，51、气浮主轴电机的空心主轴，52、旋转楔形棱镜，6、第一光束，7、光束旋转角度压缩倍率可调模块，71、第二壳体，72、第一凸透镜，73、第一凹透镜，74、第二凹透镜，75、第二凸透镜，8、第二光束，9、激光聚焦与焦点切换模块，91、第二电机的电机主轴，92、第二反射镜片，93、第二反射光束，94、第一反射光束，95、第一反射镜片，96、第一电机97的电机主轴，98、远心扫描平场聚焦镜，10、聚焦光束，11、待加工工件，12、同心圆环轨迹图，1201、钻孔第五环，1202、钻孔第四环，1203、钻孔第三环，1204、钻孔第二环，1205、钻孔第一环，13、钻孔孔径，1301、激光聚焦焦点中心,1304的旋转轨迹，1302、钻孔中心，1303、激光聚焦焦点，1304、激光聚焦焦点中心。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、一种硅晶圆激光钻孔***。下面结合图1-图4对本实施例进行详细说明。

参见图1，本实施例的一种硅晶圆激光钻孔***包括激光光源模块1、入射光束旋转运动模块5、光束旋转角度压缩倍率可调模块7和激光聚焦与焦点切换模块9；

所述激光光源模块1，用于产生入射光束3，并入射所述入射光束旋转运动模块5；

所述入射光束旋转运动模块5，用于对入射光束3进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束3的光轴进行旋转的第一光束6，所述第一光束6入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7，其中，所述第一光束6光轴旋转全角小于30毫弧度；所述入射光束旋转运动模块5包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述旋转透射光学元件作旋转运动的驱动装置；

所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7，用于对第一光束6进行扩束并对所述第一光束6的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束8并入射所述激光聚焦与焦点切换模块9；

所述激光聚焦与焦点切换模块9，用于对所述第二光束8进行聚焦，以形成聚焦光束10，并控制所述聚焦光束10的聚焦焦点在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束10的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；

其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7对所述第一光束6的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束8；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束6的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束10的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；

针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7对所述第一光束6的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束10的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7对所述第一光束6的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束8在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束10的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。

所述入射光束旋转运动模5包括一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置。旋转透射光学元件为旋转楔形棱镜52，旋转楔形棱镜52的折射率为1.45，厚度3毫米，其两面均镀355纳米增透膜。驱动装置为带空心主轴的气浮空心主轴电机，气浮空心主轴电机也可以用带空心主轴的磁浮空心主轴电机替代。所述旋转楔形棱镜52固定安装在气浮主轴电机的空心主轴51内，并一起做旋转运动。气浮主轴电机的空心主轴51内孔直径为10毫米，气浮主轴电机转速可达18万转/分钟。若选择更小通孔孔径的，气浮主轴电机转速可达36万转/分钟。入射光束旋转运动模块5对透射的入射光束3进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束3的光轴进行旋转的第一光束6，所述第一光束6光轴旋转全角小于30毫弧度。

在入射光束旋转运动模块5之后还设置有光束旋转角度压缩倍率可调模块7，用于对高速旋转运动第一光束6的旋转角度进行旋转角度倍率压缩(也可以同时进行第二光束6的发散角角度补偿)，输出旋转全角减小的第二光束6。本实施例中，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7包括四个串联的透镜，组成透镜组，其中包括第一凸透镜72、第一凹透镜73、第二凹透镜74、第二凸透镜75，所述四个串联透镜安装于第二壳体71内，所述第二壳体71为组合体(图中没有标示)，使得四个串联的透镜之间的间距可调，实现对透射旋转光束，即第一光束6旋转全角的角度压缩，从而实现聚焦光束10的聚焦焦点钻孔运动轨迹直径的调整。

所述激光聚焦与焦点切换模块9为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描平场聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心平场扫描聚焦镜等类型。本实施例中，扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜98，远心平场扫描聚焦镜98的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米。扫描振镜包括第一反射镜片95和第二反射镜片92。

所述扫描振镜的第一反射镜片95安装在扫描振镜的第一电机97的电机主轴96上。所述扫描振镜的第二反射镜片92安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴91上。

整个硅晶圆激光钻孔***的光路流程如下：激光光源模块1产生入射光束3，并经入射光束旋转运动模块输出第一光束6，第一光束6入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7，输出光束旋转全角压缩的第二光束8，第二光束8经扫描振镜第一反射镜片95得到第一反射光束94，所述第一反射光束94经扫描振镜的第二反射镜片92得到第二反射光束93，所述第二反射光束93经远心平场扫描聚焦镜98进行聚焦，得到聚焦光束10，所述聚焦光束10直接作用于待加工工件11。所述待加工工件11为50微米厚度8英寸硅晶圆。

所述入射光束3为直径为1毫米的入射扩束准直光束。

聚焦光束10的相关参数如下：激光波长355纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率20瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率100千赫兹。

扫描振镜的两片反射镜片即第一反射镜片95与第二反射镜片92相配合，每加工完毕一个孔，就把聚焦光束10的聚焦焦点移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一反射镜片95与第二反射镜片92再一次锁定不动，此时激光出光，所述旋转楔形棱镜52还在高速旋转，所述旋转楔形棱镜52由于设计好一定楔角，使得第一光束6旋转全角为5毫弧度，且光束旋转角度压缩倍率可调模块7的旋转角度压缩倍率为5(激光扩束倍率5倍，扩束器倍率为N倍，那么出射光束运动旋转角度就缩减到入射光束的旋转角度的N分之一)，那么，聚焦光束10在待加工工件11上的聚焦光斑直径约为12微米，形成直径112微米直径圆圈(焦点光斑直径12微米加上100微米的光斑中心旋转直径)。

如果光束旋转角度压缩倍率可调模块7的旋转角度压缩倍率分别变为5倍、4.5倍、4倍、3.5倍、3倍，那么聚焦光束7在待加工工件8上的聚焦光斑直径分别约为12微米、13.5微米、15微米、17微米、20微米，激光焦点光斑中心旋转直径分别是100微米、111微米、125微米、143微米、167微米，激光焦点光斑中心旋转轨迹形成同心圆，分别对应图2中钻孔第一环1205、钻孔第二环1204、钻孔第三环1203、钻孔第四环1202、钻孔第五环1201。

如果光束旋转角度压缩倍率可调模块7的旋转角度压缩倍率从5倍到3倍按照一定速度连续变化，那么聚焦光束10在待加工工件11上的聚焦光斑直径的轨迹请见图3，为螺旋线轨迹，这种轨迹非常适合盲孔钻孔和盲槽铣削的填充扫描运动。

可以参见图4，为激光聚焦焦点钻孔时的旋转运动轨迹图，其中，第二光束8经过激光聚焦与焦点切换模块9聚焦形成激光聚焦焦点1303，该激光聚焦焦点1303的中心1304的旋转轨迹为1301，围绕着钻孔中心1302进行运动加工，13为钻孔孔径。光束旋转角度压缩倍率可调模块7对第一光束6进行旋转全角压缩，使得最终形成的激光聚焦焦点1303的中心1304的旋转轨迹直径对钻孔孔径13进行完美对应，提高激光钻孔效果。

本实施例采用了平场聚焦镜作为平场扫描聚焦手段，包括普通平场扫描聚焦镜和远心平场扫描聚焦镜，所述普通平场扫描聚焦镜或者远心平场扫描聚焦镜对光束进行聚焦后，激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离与平场扫描聚焦镜焦距成正比，与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角的变化值成正比，一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚焦镜焦距就确定，那么激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离理论上只与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角变化值成正比。所有平行激光束在入射同一个平场聚焦镜且平行激光束入射平场聚焦镜的方位(角度与位移)均在所述平场聚焦镜设计范围内时，所有平行入射的激光束均聚焦于平场聚焦镜焦平面上同一个点。因此，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7对光束的传输角度改变对激光焦点在平场聚焦镜的聚焦平面的移动距离有贡献，在改变光束传输角度的同时带来的光束平移，对激光焦点在平场聚焦镜的聚焦平面的移动距离没有贡献。

所述远心平场扫描聚焦镜98的加工范围毕竟还是有限，如果加工幅面还不够大，实际上还可以把所述待加工工件11置于移动平台上，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米×200毫米的通常称为大面积。

本实施例这种加工方式的好处是，用高斯激光实现平顶激光加工效果，同时保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工特点等优点，非常适合于需要平顶激光加工或者微小范围均匀快速填充扫描的领域，加工效果优于平顶激光且控制非常简单。

实施例2、一种低温共烧陶瓷激光钻孔***。

本实施例的激光钻孔***如图5所示，除了包含上述实施例1中的模块外，还包括扩束倍率补偿模块2，激光光源模块1发射出口激光束4，出口激光束4入射扩束倍率补偿模块2，并输出入射光束3。

与实施例1不同的是，在入射光束旋转运动模块5之前还设置有扩束倍率补偿模块2；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7对第一光束6旋转角度进行大倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块2对出口激光束4进行小倍率扩束，或者，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7对第一光束6旋转角度进行小倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块2对出口激光束4进行大倍率扩束，使得第二光束6的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束10的聚焦焦点光斑直径保持恒定或者基本恒定。这样，在第二光束6的光束直径基本不变条件下，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7对光束旋转角度的压缩倍率范围可以增加，进而增加了聚焦光束10的聚焦焦点的钻孔孔径范围。

所述扩束倍率补偿模块2，包括两个串联的补偿凹透镜22和补偿凸透镜23，串联的补偿凹透镜22和补偿凸透镜23安装于第一壳体21内，所述壳体21为组合体(图中没有标示)，使得补偿凹透镜22和补偿凸透镜23之间的间距可调，实现对入射光束3发散角的调整，改变了第一光束6在光束旋转角度压缩倍率可调模块7的入口光斑直径。更好的方式是，采用四透镜的可调倍率扩束器进行改变第一光束6在光束旋转角度压缩倍率可调模块7的入口光斑直径，这样可以确保第一光束6尽可能准直入射光束旋转角度压缩倍率可调模块7。

例如，如果光束旋转角度压缩倍率可调模块7的旋转角度压缩倍率分别变为5倍、4.5倍、4倍、3.5倍、3倍，所述扩束倍率补偿模块2的扩束倍率分别对应调整为1倍、5/4.5倍、5/4倍、5/3.5倍、5/3倍，那么聚焦光束10在待加工工件11上的聚焦光斑直径基本约为12微米，激光焦点光斑中心旋转直径分别是100微米、111微米、125微米、143微米、167微米，分别对应图2中钻孔第一环1205、钻孔第二环1204、钻孔第三环1203、钻孔第四环1202、钻孔第五环1201。本实施例采用扩束倍率补偿模块2和光束旋转角度压缩倍率可调模块7协同作用使得第二光束6的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束10的聚焦焦点光斑直径保持恒定或者基本恒定，其好处是聚焦光束10的聚焦焦点光斑直径保持基本不变，有利于激光加工工艺的稳定。可参见图4，通过扩束倍率补偿模块2和光束旋转角度压缩倍率可调模块7的协同工作，使得最终形成的激光聚焦焦点1303的直径保持恒定或者基本恒定，有利于激光加工的稳定性。

其中，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块7的倍率调节范围为1～20倍，对应的所述扩束倍率补偿模块2的扩束倍率补偿范围为20～1倍。

如果光束旋转角度压缩倍率可调模块7的旋转角度压缩倍率从5倍到3倍按照一定速度连续变化，所述扩束倍率补偿模块2的扩束倍率分别对应从1倍到5/3倍对应连续变化，以此确保聚焦光束10的聚焦焦点大小基本保持不变，且聚焦光束10在待加工工件11上的聚焦光斑直径的轨迹请见图3，为螺旋线轨迹，这种轨迹非常适合盲孔钻孔和盲槽铣削的填充扫描运动。

实施例3、一种激光钻孔与钻孔填充方法。

参见图6，本实施例提供的钻孔填充方法包括以下步骤：

S1，由激光光源模块产生的入射光束入射至入射光束旋转运动模块；

S2，入射光束旋转运动模块对入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

S3，光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

S4，激光聚焦与焦点切换模块对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；

其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；

针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。

其中，还包括：在所述激光光源模块与所述入射光束旋转运动模块之间设置扩束倍率补偿模块，对所述激光光源模块产生的入射光束进行扩束，所述扩束后的光束入射所述入射光束旋转运动模块；

当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行大倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行小倍率扩束，或者，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行小倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行大倍率扩束，使得第二光束的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束的聚焦焦点聚焦光斑直径保持恒定或者基本恒定。

本实施例的入射光束旋转运动模块对入射光束进行传输方位旋转调制，第一光束可以运转到6万转以上，甚至几十万转每分钟，提供了强大的高效高质量钻孔潜力；引入了光束旋转角度压缩倍率可调模块，实现了不同孔径的通孔的旋切钻孔，不同孔径的盲孔填充钻孔；辅以激光聚焦与焦点切换模块，实现大范围群孔快速位置切换。其中，激光的高速旋转(光束旋转角度固定)与光束旋转角度压缩倍率可调，两者缺一不可，否则无法进行高效的不同孔径通孔或者盲孔的激光加工。

在入射光束旋转调制之前，对入射激光束进行扩束倍率补偿，使得第二光束光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束的聚焦光斑直径保持恒定或者基本恒定。在第二光束的光束直径基本不变条件下，这样的好处是除了保持激光加工工艺的稳定性外，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对光束旋转角度的压缩倍率范围还可以增加，进而增加了聚焦光束的聚焦焦点的钻孔孔径范围。

本实施例中，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块的倍率调节范围为1～20倍，所述扩束倍率补偿模块的扩束倍率补偿范围为20～1倍。所述光束旋转角度压缩倍率可调模块的对第一光束旋转角度的倍率压缩范围为1～20倍(其中1倍就是旋转角度不压缩，20倍就是旋转角度压缩到原来的二十分之一，即第二光束旋转运动全角是第一光束旋转运动全角的二十分之一)，此时，所述扩束倍率补偿模块对第一光束的扩束倍率范围也是1～20倍(1倍就是对第一光束不扩束，二十倍就是对第一光束扩束二十倍)，对应的，所述扩束倍率补偿模块的扩束倍率补偿范围为20～1倍(所述20倍，就是对入射激光3扩束20倍，所述1倍，就是对入射激光3不扩束)。总之所述光束旋转角度压缩倍率可调模块和所述扩束倍率补偿模块协调工作，既满足激光焦点旋转钻孔的孔径要求，又满足激光聚焦焦点光斑直径基本恒定要求。采用扩束倍率补偿模块2和光束旋转角度压缩倍率可调模块7协同作用使得第二光束6的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束10的聚焦焦点光斑直径保持恒定或者基本恒定，其好处是聚焦光束10的聚焦焦点光斑直径保持基本不变，有利于激光加工工艺的稳定。

上述实施例中的待加工工件由不同材料的加工层组成的，所述入射光束根据加工层的不同材料，其脉冲能量或者脉冲峰值功率可动态调整。入射激光脉冲能量动态变化，大大拓宽了激光钻孔工艺的延展性，加大了激光钻孔范围，提高激光钻孔质量。

本发明提出的一种激光钻孔与钻孔填充***及方法，引入了光束旋转角度压缩倍率可调模块，使得在激光高速旋转时，通过光束旋转角度压缩倍率可调模块调整光束旋转角度压缩倍率，实现聚焦光束的聚焦焦点旋转运动轨迹直径的调整，使得高速旋转光束的旋转运动轨迹直径与钻孔孔径可调完美结合，实现不同孔径钻孔名的激光加工；以及引入扩束倍率补偿模块，使得光束旋转角度压缩倍率可调模块对透射旋转光束进行旋转角度压缩时，对应的改变了激光束在光束旋转角度压缩倍率可调模块的入口光斑直径，确保第二光束光束直径保持恒定或者基本不变，从而保障了聚焦光束聚焦焦点光斑直径的稳定，有利于激光加工工艺的稳定和加工效果。

同时本发明配置了激光聚焦与焦点切换模块，使得本发明适合于大面积的群孔钻孔(通孔和盲孔)，以及盲槽的加工，本发明特别适合于薄材料群孔加工，也特别适合用于一些脆硬材料的铣削与钻孔加工，相比传统激光铣削加工，本方案加工均匀性、加工效率以及加工质量大幅度提高。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光钻孔与钻孔填充***，其特征在于，包括激光光源模块、入射光束旋转运动模块、光束旋转角度压缩倍率可调模块和激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光光源模块，用于产生入射光束，并入射所述入射光束旋转运动模块；

所述入射光束旋转运动模块，用于对入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；所述入射光束旋转运动模块包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述旋转透射光学元件作旋转运动的驱动装置；

所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，用于对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；

其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；

针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。

2.如权利要求1所述的激光钻孔与钻孔填充***，其特征在于，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或衍射体光栅或光楔，所述驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的电机主轴上；所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机。

3.如权利要求1所述的激光钻孔与钻孔填充***，其特征在于，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜；

所述光束旋转角度压缩倍率可调模块输出的第二光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，再经所述扫描平场聚焦镜聚焦形成聚焦光束，其中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片偏转达到控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间的切换，或者在一个加工单元处的激光出光加工过程中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片辅助偏转对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制。

4.如权利要求3所述的激光钻孔与钻孔填充***，其特征在于，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和透镜组，所述透镜组安装于壳体内，所述透镜组包含至少四个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述第一光束的空间旋转角度的压缩，还可以同时调整所述第二光束的发散角从而调整聚焦光束的聚焦焦点的空间位置，使得所述聚焦焦点始终处于待加工工件表面。

5.如权利要求3所述的激光钻孔与钻孔填充***，其特征在于，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和棱镜组，所述棱镜组安装于壳体内，所述棱镜组包含至少二个串联的棱镜，通过改变所述棱镜组内的多个棱镜之间的空间位置关系实现对所述第一光束的空间旋转角度的压缩，还可以同时调整所述第二光束的发散角从而调整所述聚焦光束的聚焦焦点的空间位置，使得所述聚焦焦点始终处于待加工工件表面。

6.如权利要求1-5任一项所述的激光钻孔与钻孔填充***，其特征在于，还包括扩束倍率补偿模块，所述扩束倍率补偿模块位于所述激光光源模块与所述入射光束旋转运动模块之间，用于对所述激光光源模块产生的入射光束进行扩束，扩束后的光束入射所述入射光束旋转运动模块；

其中，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行大倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行小倍率扩束，或者，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行小倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行大倍率扩束，使得第二光束的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束的聚焦焦点光斑直径保持恒定或者基本恒定。

7.如权利要求6所述的激光钻孔与钻孔填充***，其特征在于，所述扩束倍率补偿模块包含壳体和透镜组，所述透镜组安装于壳体内，所述透镜组包含至少二个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述入射光束扩束倍率的调整或者发散角的调整，通过发散角的调整改变所述光束旋转角度压缩倍率可调模块的入射光束的入口光斑直径。

8.一种激光钻孔与钻孔填充方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，由激光光源模块产生的入射光束入射至入射光束旋转运动模块；

S2，入射光束旋转运动模块对入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

S3，光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

S4，激光聚焦与焦点切换模块对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；

其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；

针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。

9.如权利要求8所述的激光钻孔与钻孔填充方法，其特征在于，还包括：

在所述激光光源模块与所述入射光束旋转运动模块之间设置扩束倍率补偿模块，对所述激光光源模块产生的入射光束进行扩束，所述扩束后的光束入射所述入射光束旋转运动模块；

其中，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行大倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行小倍率扩束，或者，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对第一光束旋转角度进行小倍率压缩时，所述扩束倍率补偿模块对入射光束进行大倍率扩束，使得第二光束的光束直径保持恒定或者基本恒定，进而使得聚焦光束的聚焦焦点聚焦光斑直径保持恒定或者基本恒定。

10.如权利要求8或9所述的激光钻孔与钻孔填充方法，其特征在于，所述待加工工件由不同材料的加工层组成的，所述入射光束根据加工层的不同材料，其脉冲能量或者脉冲峰值功率可动态调整。