CN205380365U - 用于激光旋转打孔的光学扫描*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于激光旋转打孔的光学扫描***，包括聚焦镜、平行平板和楔形镜，激光光束经过聚焦镜汇聚后，再通过平行平板进行光束平移，平移光束最后经过楔形镜传递到工件上；平行平板和楔形镜均固定在旋转轴上，随旋转轴旋转。本实用新型可以实现高深宽比的深度精密钻孔。

Description

用于激光旋转打孔的光学扫描***

技术领域

本实用新型涉及光学领域，尤其涉及一种用于激光旋转打孔的光学扫描***。

背景技术

激光钻孔是激光最常见的一种材料加工方式，常用的激光钻孔有冲击钻孔和旋转切孔两种方式。

冲击钻孔是一个或者多个激光脉冲作用在同一个位置，通过重复冲击进行钻孔。冲击钻孔的方式会造成激光能量分布不均匀，光斑中间能量更强，边缘能量降低，从而孔的边缘质量较差，造成圆度不圆，锥度较大；而且由于前一次钻孔形成的等离子体喷射物，对下一个激光脉冲的能量传递有屏蔽和阻碍的作用。

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的在于，提供一种新的旋转切孔的光学扫描***，使一束锥角细小的光束，通过旋转的方式达到切割圆度高、锥度小、高深径比和高质量的精密小孔。

本实用新型所采用的技术方案是：

提供一种用于激光旋转打孔的光学扫描***，包括聚焦镜、平行平板和楔形镜，激光光束经过聚焦镜汇聚后，再通过平行平板进行光束平移，平移光束最后经过楔形镜传递到工件上；

平行平板和楔形镜均固定在旋转轴上，随旋转轴旋转。

本实用新型所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***中，该旋转轴上物体的质量呈对称分布。

本实用新型所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***中，平行平板和楔形镜分别通过两个质量对称的电机控制，电机固定在旋转轴上。

本实用新型所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***中，所述电机为空轴的外部驱动电机。

本实用新型所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***中，该***还包括扩束镜，置于聚焦镜前方，激光先经扩束镜进行扩束后再经聚焦镜汇聚。

本实用新型还提供了一种激光旋转打孔方法，包括以下步骤：

激光光束经聚焦镜得到汇聚光束；

汇聚光束到达平行平板，根据平行平板的倾斜角度α，相对于旋转轴有一定平移量；

经过平行平板进行平移后，光束通过楔形板，再产生与平移量相反方向的一定偏转量；

平行平板和楔形镜均围绕旋转轴旋转，激光束通过倾斜的平行平板的高速旋转来获得旋转的孔径，再通过楔形镜收敛激光的发散角，并倾斜光束。旋转过程中锥角收敛的激光束均匀沿着孔径边缘高速旋转，在工件上形成有锥度的圆孔；

根据形成的圆孔，再通过螺旋前进的方式进行钻孔。

本实用新型所述的方法中，该方法还包括步骤：

调节平行平板的倾斜角度α或者楔形镜的倾角β，或者两者联合调节，从而调节圆孔的直径和锥度。

本实用新型所述的方法中，在激光光束汇聚之前，先经过扩束镜进行扩束。

本实用新型所述的方法中，固定在旋转轴上的物体的质量呈对称分布，以在旋转轴旋转时降低惯性摆动。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型用于激光旋转打孔的光学扫描***，通过一个倾斜的平行平板的高速旋转来获得旋转的孔径，再用楔形镜收敛激光的发散角并倾斜激光束，通过螺旋前进的方式进行钻孔。本实用新型中由于旋转时光束能量分布更均匀，并且光束锥角小，螺旋前进的深度更大，可以进行高深宽比的深度精密钻孔。此外本实用新型的光学***结构简洁，比传统三光楔的结构更加简单容易控制。

进一步地，旋转轴上质量对称分布可以显著减小电机高速旋转时造成的惯性摆动，从而在高速旋转下仍然能够获得稳定的钻孔效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例用于激光旋转打孔的光学扫描***的结构示意图；

图2是本实用新型实施例光束在工件上切孔时的运动路径；

图3是本实用新型实施例楔形镜角度保持不变，平行平板的角度α改变时所形成不同位置的圆孔的示意图；

图4是本实用新型实施例平行平板保持不变，楔形镜的倾角β改变时所形成不同位置的圆孔的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提出的光学扫描***，通过一个倾斜的平行平板的高速旋转来获得旋转的孔径，再用楔形镜收敛激光的发散角，并倾斜激光束，再通过螺旋前进的方式进行钻孔。本实用新型由于旋转时光束能量分布更均匀，并且光束锥角小，螺旋前进的深度更大，可以进行高深宽比的深度精密钻孔。

本实用新型实施例的用于激光旋转打孔的光学扫描***，如图1所示，包括聚焦镜10、平行平板20和楔形镜30，其中平行平板20可选用石英玻璃材料，上下表面平行抛光，激光光束经过聚焦镜10汇聚后，再通过平行平板20进行光束平移，平移光束最后经过楔形镜30传递到工件上。平行平板20和楔形镜30均固定在旋转轴上，随旋转轴高速旋转。

光学部分通过聚焦镜10、平行平板20和楔形镜30，分别实现聚焦、平移和倾斜的光学传输功能。图1展示了沿着光轴传播，经过聚焦镜10后，汇聚的光束通过倾斜的平行平板20后被平移，再通过楔形镜30倾斜传递到工件上。其中平行平板20和楔形镜30被高速电机控制进行高速旋转，使锥角收敛的激光束均匀沿着孔径边缘高速旋转，达到获得高深径比的切孔效果。

聚焦镜10提供足够大的焦距f，从而保证足够大的工作距离，F大于50mm，足够大的工作距离可以保证在加工的过程中工件的污染物不会造成对聚焦镜10的污染。另外，长焦距通常意味着更长的焦深，使得在一个较大的焦深范围内激光都有很好的聚焦效果，从而具有更小的光斑尺寸。在聚焦镜10之前，会放扩束镜(图中未示出)对先对激光进行扩束，以获得接近于平行光的光束。在精密加工时聚焦镜10的聚焦倍数和数值孔径需要选择更大的，从而获得更好的聚焦效果和收集光的能力，让激光能量在工件上有更好的分布和耦合效果。

倾斜的平行平板20可以形成光束平移。精密抛光的窗口材料其上下表面高度平行，通过倾斜，对光束只有平移的作用，并不偏转光束的方向，且总是平移到镜片更高的一方，使光束偏离轴心。再通过高速旋转，激光束就会画一个圆圈，形成旋转切孔。同时此平移量可以通过调节平行平板的倾角改变。

楔形镜30引入光束的倾斜，并且收敛光束。楔形镜30对光束的角度有偏转作用，且总是向镜片尺寸更宽的一方偏转，此角度偏转量只和楔形镜30上下两个表面的夹角有关系。另外，楔形镜30对光束有一定的平移作用，和平行平板20类似，向镜片更高的方向平移，平移量和楔形镜30的厚度以及倾角β有关，该倾角β为楔形镜30上表面和水平法线的夹角。通过调节楔形镜30的倾角β可以调节平移量。激光光束通过平行平板20平移后，通过楔形镜30产生相反方向的角度偏转和一定的位置平移。

本实用新型中楔形镜30至少有三个作用：第一，偏转和平移光束，调节光束孔径大小；第二，收敛光束，形成更小的发散角，以集中光能量，改善孔径边缘；第三，形成有锥角的孔，由于光束有倾角，在工件的上下表面形成不同的孔径大小，孔径也因此有锥角。

本实用新型中，让平移量和偏转量之间有一定的抵消作用，即光束向一个方向平移，再向相反的方向偏转回来。最终通过平移量和偏转量的共同调节，来实现小孔径锥孔的钻孔。

图1中，F表示焦点位置，S表示光束偏转后和轴线的交叉点。光学分为三个步骤：聚焦、平移和倾斜。并且平行平板20和楔形镜30都会围绕轴心高速旋转。

经过聚焦镜10之后，激光光束到达平行平板20，根据平行平板20的倾斜角度α，相对于***轴有一定平移量，再通过楔形镜30，对光线有一定偏转量。一旦平行平板20和楔形镜30围绕***轴旋转，焦点会在工件上旋转形成圆孔。焦点F和交叉点S的距离，依赖于旋转光学元件的倾斜角度α和楔形镜倾角β

调节平行平板20的倾角α或者楔形镜30的倾角β，或者联合调节α和β，可以调节圆孔的直径和锥度。

图3和图4给出了分别改变平行平板20的倾斜角度α和楔形镜的倾度β，来控制光束的平移量和偏转量，从而旋转切孔的直径和锥度得到相应的改变。

如图3中，其中圆圈的位置，表示在此处光束的平移量和偏转量相互抵消，光束和轴心又交叉于一点。若这个交叉点的位置在光焦点以上，那么形成负锥角的孔；如果此交叉点在光焦平面上，形成一个细小的圆柱状的孔；如果此交叉点在光焦点以下，则形成正锥角的孔。

如图3中，光束被平行平板向+X方向平移，再被楔形镜向-X方向偏转，实例1-4中，倾斜角度α较小，在焦平面位置，平移量小于偏转量，所以形成正锥度的孔。实例6-7中，倾斜角度α较大，在焦平面位置，平移量大于偏转量，所以最终形成负锥角的小孔。

如图4中，如果平行平板20的倾斜角度α固定，改变楔形镜30的倾角β。实例1-3表明，倾角较小时，平移量大于偏转量，所以形成负锥角。实例5-6中，倾角较大，平移量小于偏转量，所以形成正锥度孔。实例4中，平移量和偏转量正好在焦平面附近达到平衡，形成深宽比很大的圆柱形小孔。

图3中楔形镜30倾角保持不变，平行平板20的角度α改变。其中1-4代表正锥角。5代表圆柱形孔。6-7代表负锥角。图4平行平板20保持不变，楔形镜30的倾角β改变。其中1-3代表正锥角，4代表圆柱形孔，5-6代表负锥角。

本实用新型中角度的调节都是通过电机自动控制的。在控制软件上设定平行平板20角度α和楔形镜30的倾角β，启动后就可以自动调节这两个镜片的倾斜角度了。

平行平板20和楔形镜30都用电机控制其高速旋转，电机质量对称分布。在旋转光学***中，光学部分负责变化激光束的平移和倾斜，并且光学元件必须旋转。为了保证更高的旋转速度，使退行振动最小化，移动的光学元件也经过特别的优化，围绕旋转轴高速旋转时将惯性摆动降低到最小。

整个光学***简洁可靠，拥有简洁的尺寸并且较轻的重量。整个***在机械器件的构建和光学材料的选择等尽量最小化重量和尺寸，例如选择空轴的电机减轻重量，并采用外部驱动的方式减小主要部件的尺寸，这对旋转钻孔的转速和稳定性有显著提高作用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于激光旋转打孔的光学扫描***，其特征在于，包括聚焦镜、平行平板和楔形镜，激光光束经过聚焦镜汇聚后，再通过平行平板进行光束平移，平移光束最后经过楔形镜传递到工件上；

平行平板和楔形镜均固定在旋转轴上，随旋转轴旋转。

2.根据权利要求1所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***，其特征在于，该旋转轴上物体的质量呈对称分布。

3.根据权利要求2所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***，其特征在于，平行平板和楔形镜分别通过两个质量对称的电机控制，电机固定在旋转轴上。

4.根据权利要求3所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***，其特征在于，所述电机为空轴的外部驱动电机。

5.根据权利要求1所述的用于激光旋转打孔的光学扫描***，其特征在于，该***还包括扩束镜，置于聚焦镜前方，激光先经扩束镜进行扩束后再经聚焦镜汇聚。