CN202199931U - 一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器和一个待加工的工件，在所述激光器出射激光束面上设有一块平面反射镜，在平面反射镜与激光器之间设置有声光调制器；所述沿平面反射镜反射激光束下方分别依次设置有两块声光偏转器，两块声光偏转器下方设置有平行平板，平行平板下方依次设置有聚焦镜和待加工件；所述两块声光偏转器分别与计算机电连接。该装置通过两个互相垂直设置的声光偏转器，控制声光晶体中声波频率的非线性变化，改变衍射光束的偏转角，实现出射光束扫描出微圆孔。该装置易于控制，对于激光进行了色散补偿，可扫描出半径可调的微米量级的微圆孔，结构简单容易实现。

Description

一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，特别是一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置。

背景技术

激光微孔加工在汽车、微电子、航天航空、生物医学、太阳能及燃料电池新能源等高新技术产业领域有着广泛应用。其加工切面整齐，无微裂纹和冶金缺陷，加工速度快，效率高，有着传统的机械加工，以及电火花加工所无法比拟的优越性。目前世界上半导体集成电路产业发展迅速，计算机，手机电路板，便携式消费电子产品采用高密度多层PCB，体积紧凑并向小型化发展；半导体芯片制作，测试和封装要求不断提高，其结构更加紧凑，外形体积不断缩小，传统的钻孔方法已无法满足需求。

现有的激光加工微孔的方法有固定光束单脉冲加工单元微孔，振镜扫描，工件旋转打孔和旋转双光楔扫描。

①固定光束单脉冲加工单元微孔可以得到激光加工光学***所限的最小微孔直径，但是要想得到不同的微孔直径，只能通过换聚焦镜头来实现。②振镜扫描加工微孔，其定位速度很快，因其的高速响应，很适合打数量比较多的阵列孔。但是振镜扫描的方法在大范围的局部小区域内缺乏高速的定位精度，因此在小孔的直径小于250um时不宜采用该方法。另外，在激光精细加工时，经常把激光光束扩束以达到聚焦光点足够小的目的，此时，振镜反射片尺寸相对较大，会影响***的响应频率和加工效率。③工件高速旋转加工微孔是采用固定光束聚焦，工件高速旋转，旋转轴偏离加工光轴，调节偏离距离可得到不同尺寸的小孔。由于工件旋转时惯量大，故此方法只能打单一孔，只能用于在小的圆形通轴零件上加工单个微孔的场合。④旋转双光楔扫描，是利用两个完全相同的光楔相对旋转，产生一个动态的单一楔角，使得光束动态偏转角度，同时再整体旋转，出射光束经聚焦物镜聚焦后扫描加工出半径可调的圆孔，其加工精度与电机的控制精度密切相关，光束通过两个光楔其能量损耗相对较大。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，该装置通过两个互相垂直设置的声光偏转器，控制声光晶体中声波频率的非线性变化，改变衍射光束的偏转角，实现出射光束扫描出微圆孔。该装置易于控制，对于激光进行了色散补偿，可扫描出半径可调的微米量级的微圆孔，结构简单容易实现。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器和一个待加工的工件，其特征在于，在所述激光器出射激光束面上设有一块平面反射镜，在平面反射镜与激光器之间设置有声光调制器；所述沿平面反射镜反射的激光束下方分别依次设置有两块互相垂直设置的声光偏转器，两块声光偏转器下方设置有平行平板，平行平板下方依次设置有聚焦镜和待加工件；所述两块声光偏转器分别与计算机电连接。

本实用新型的进一步特征在于：

所述两块声光偏转器分别为垂直设置的声光偏转器和水平设置的声光偏转器，且垂直设置的声光偏转器置于水平设置的声光偏转器的上方。

所述与计算机电连接的两块声光偏转器通过换能器与计算机相连。

所述声光调制器与激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为45°

所述平面反射镜与激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为

其中，

θ_B为激光器出射激光束经平面反射镜反射激光束至垂直设置的声光偏转器的入射角。

本实用新型采取声光扫描的方式，利用两块分别垂直设置和水平设置的声光偏转器的声光互作用实现激光器出射激光束偏转，经平行板将激光束产生横向位移，再经聚焦镜将激光束聚焦至待加工件，可获得出射激光束偏转扫描出圆形轨迹。

本装置具有下述特点：

1、能够解决采取固定光束单脉冲加工方式、通过更换聚焦镜头来得到不同的微孔直径的缺陷，其加工无需更换聚焦镜头，改变衍射光束的偏转角，并改变输入频率的振幅(参数A)，可扫描出半径可调的微圆孔。

2、能够解决采取振镜扫描加工微孔在大范围的局部小区域内缺乏高速的定位精度、振镜尺寸相对较大、响应频率和加工效率低的问题，其对于激光进行了色散补偿，可扫描出半径可调的微米量级的微圆孔，且加工效率高。

3、能够解决采取工件高速旋转加工微孔存在旋转轴偏离加工光轴、只能打单一孔的缺陷，该装置易于控制，结构简单，容易实现。

4、能够解决采取旋转双光楔机械旋转控制相对较难的问题，其加工精度高，应用范围广。

附图说明

图1是本实用新型实施例结构示意图；

图2是本实用新型声光偏转器原理示意图；

图3是本实用新型二维扫描轨迹示意图。

图中：1、激光器；2、声光调制器(AOM)；3、平面反射镜；4、垂直设置的声光偏转器；5、水平设置的声光偏转器；6、平行平板；7、聚焦镜；8、待加工件；9、计算机；10、换能器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，该基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器1和一个待加工的工件8，其中：在激光器1出射激光束面上设有一块平面反射镜3，在平面反射镜3与激光器1之间设置有声光调制器2；沿平面反射镜3反射激光束下方分别依次设置有两块互相垂直设置的声光偏转器，两块声光偏转器下方设置有平行平板6，平行平板6下方依次设置有聚焦镜7和待加工件8；所述两块声光偏转器分别与计算机9电连接。

在本实施例中，两块声光偏转器分别为垂直设置的声光偏转器4和水平设置的声光偏转器5，且垂直设置的声光偏转器4置于水平设置的声光偏转器5的上方。

在本实施例中，与计算机9电连接的两块声光偏转器通过换能器10与计算机9相连。

在本实施例中，平面反射镜3与激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为

其中，θ_B为激光器1出射激光束经平面反射镜3反射激光束至垂直设置的声光偏转器4的入射角。

声光调制器2与激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为45°。

如图2所示，给出了本实用新型声光偏转器原理的示意图。

声光扫描是利用改变声波的频率来改变衍射光的方向，使之发生偏转，既可以是光束连续偏转，也可以是分离的光点扫描偏转。

声光偏转器(AOD)是利用声光互作用来实现光束偏转，它由压电换能器与声光介质(声光晶体)组成。对于各向同性的介质，入射光和衍射光与声波波面的夹角相等，该布拉格角可表示为(如图3所示一般很小)，

${\mathrm{\θ}}_B=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\λ}{f}_0}{2{\mathrm{nv}}_s}\right)\≈\frac{\mathrm{\λ}{f}_0}{2{\mathrm{nv}}_s}$

式中f₀是声波的中心频率，v_s是声波的速度，λ是光波的波长。n是介质的折射率。当声波的频率由f₀变为f₀+Δf时，为了严格满足布拉格条件，入射光束的向应当改变，衍射光束的方向也随之改变。如果固定入射光束的方向，布拉格件就得不到满足，衍射效率会下降，此时的衍射光相对于原来的衍射角偏转Δθ。

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nv}}_s\cos {\mathrm{\θ}}_B}\mathrm{\Δf}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nv}}_s}\mathrm{\Δf}$

由上式可见偏转角Δθ与声频的改变量Δf成正比。

图2示意了声光偏转器的二维偏转扫描原理，令 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\θ}}_x=A\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_y=A\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.,$ 则有(Δθ_x)²+(Δθ_y)²＝A²。由于Δθ与Δf成正比，故驱动水平设置的声光偏转器5，其声波频率按照Δf_x＝KΔθ_x＝KAsinθ变化，垂直设置的声光偏转器4，其声波频率按照Δf_y＝KΔθ_y＝KAcosθ变化。从

易知，驱动声波频率按照正余弦参数变化，可得激光束偏转扫描出圆形轨迹，改变参数A，可扫描出半径可调的微圆孔。

激光器发出的入射光束直径3mm，通过声光调制器2色散补偿后，经平面反射镜3反射，激光束入射到垂直设置的声光偏转器4中，驱动其声波频率按照Δf_y＝KΔθ_y＝KAcosθ变化，出射光束的偏角遵循Δθ_x＝Acosθ轨迹，出射的激光束再入射进水平设置的声光偏转器5，调节水平设置的声光偏转器5的声光介质的载波频率，使其按照Δf_x＝KΔθ_x＝KAsinθ变化，则出射光束的偏角遵循(Δθ_x)²+(Δθ_y)²＝A²轨迹变化，经平行平板产生横向位移，聚焦镜7聚焦至待加工件8，可以扫描出以光轴为圆心的微米量级的微圆孔。

Claims (5)

1.一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，包括一个激光器(1)和一个待加工的工件(8)，其特征在于，在所述激光器(1)出射激光束面上设有一块平面反射镜(3)，在平面反射镜(3)与激光器(1)之间设置有声光调制器(2)；所述沿平面反射镜(3)反射的激光束下方分别依次设置有两块互相垂直设置的声光偏转器，两块声光偏转器下方设置有平行平板(6)，平行平板(6)下方依次设置有聚焦镜(7)和待加工件(8)；所述两块声光偏转器分别与计算机(9)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述两块声光偏转器分别为垂直设置的声光偏转器(4)和水平设置的声光偏转器(5)，且垂直设置的声光偏转器(4)置于水平设置的声光偏转器(5)的上方。

3.根据权利要求1所述的一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述与计算机(9)电连接的两块声光偏转器通过换能器(10)与计算机(9)相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述声光调制器(2)与激光器(1)出射激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为45°。

5.根据权利要求1所述的一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置，其特征在于，所述平面反射镜(3)与激光器(1)出射激光束成倾斜角度设置，倾斜角度为其中，θ_B为激光器(1)出射激光束经平面反射镜(3)反射激光束至垂直设置的声光偏转器(4)的入射角。

Images