本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特別涉及一種激光旋轉(zhuǎn)切割裝置及方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的激光切割領(lǐng)域，光束透過f-theta場(chǎng)鏡后，在一個(gè)平面上會(huì)聚成一個(gè)微小的光斑，這個(gè)平面也叫焦平面。通過調(diào)節(jié)，使得焦平面與加工平面重合，則切割樣品上的焦點(diǎn)會(huì)隨著振鏡的旋轉(zhuǎn)而劃動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)激光切割。

實(shí)際切割時(shí)，需要在同一個(gè)位置多次劃動(dòng)，由于焦點(diǎn)的形狀呈錐字形，所以被切材料的切割面呈現(xiàn)一定的錐度。而且出射光束的能量分布不均勻，呈高斯分布，造成焦點(diǎn)的能量分布不均勻，特別是橢圓型高斯光束，從而導(dǎo)致在x方向和在y方向上的切割深度不一致。

對(duì)于傳統(tǒng)的鉆孔系統(tǒng)，入射光束與f-theta場(chǎng)鏡中心之間的距離，就是所述的旋轉(zhuǎn)半徑r。由于光束在偏離f-theta場(chǎng)鏡中心的位置入射，而出射光束仍然在f-theta場(chǎng)鏡的中心軸上會(huì)聚，所以出射光束以角度θ傾斜會(huì)聚于樣品上。加工時(shí)，會(huì)聚光束是以角度θ進(jìn)行鉆孔。

實(shí)際加工時(shí)，由于鉆孔的材料和孔徑精度不同，需要改變不同的鉆孔角度，這需要通過實(shí)驗(yàn)來確定鉆孔角度。而鉆孔θ是由旋轉(zhuǎn)半徑r與f-theta場(chǎng)鏡的工作焦距f決定的。更換f-theta場(chǎng)鏡顯得不方便，而且成本高，所以通過改變旋轉(zhuǎn)半徑r從而改變鉆孔θ，以符合加工的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種激光旋轉(zhuǎn)切割裝置及方法，旨在引入旋轉(zhuǎn)鉆孔切割，在鉆孔的同時(shí)實(shí)現(xiàn)劃動(dòng)切割。

本發(fā)明提供一種激光旋轉(zhuǎn)切割裝置，包括激光發(fā)生器、激光準(zhǔn)直模塊、可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊、振鏡模塊和聚焦模塊，所述可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊包括第一空心主軸電機(jī)、第二空心主軸電機(jī)、使激光光束在垂直方向上偏移的第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件、由導(dǎo)入程序控制的可編程電子模塊，所述第一圓盤光學(xué)元件內(nèi)嵌在第一空心主軸電機(jī)中并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，所述第二圓盤光學(xué)元件內(nèi)嵌在第二空心主軸電機(jī)中并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，所述第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件位于同一水平高度上，所述可編程電子模塊控制第一空心主軸電機(jī)和第二空心主軸電機(jī)，所述激光發(fā)生器、激光準(zhǔn)直模塊、第一圓盤光學(xué)元件、第二圓盤光學(xué)元件、振鏡模塊和聚焦模塊沿著激光光束的方向依次排列。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述振鏡模塊振鏡模塊包括第一反射平面和第二反射平面，其中所述的第一反射平面控制光束的水平方向位置，所述的第二反射平面控制光束的垂直方向的位置，激光光束依次經(jīng)第一反射平面、第二反射平面發(fā)射有射入待切割材料，通過控制振鏡的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)待切割材料上焦點(diǎn)劃動(dòng)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的激光準(zhǔn)直模塊為變倍擴(kuò)束器，所述變倍擴(kuò)束器包括短焦距正透鏡、短焦距負(fù)透鏡、長焦距負(fù)透鏡和長焦距正透鏡，激光光束依次通過短焦距正透鏡、短焦距負(fù)透鏡、長焦距負(fù)透鏡和長焦距正透鏡。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一空心主軸電機(jī)和第二空心主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速為500-5000rpm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述聚焦模塊為短焦距f-theta場(chǎng)鏡，工作焦距f＝120mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光發(fā)生器為紫外或可見光或紅外激光器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件的入射面和出射面上均設(shè)有一層增透膜，激光光束的入射角θ1是以布儒斯特角入射到第一圓盤光學(xué)元件，所述第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件的傾斜角

本發(fā)明還提供一種激光旋轉(zhuǎn)切割方法，包括以下步驟：

s1.激光發(fā)生器發(fā)射激光光束，經(jīng)激光準(zhǔn)直模塊變倍擴(kuò)束后進(jìn)入可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊，設(shè)置第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件相位初始為0°；

s2.給可編程電子模塊輸入旋轉(zhuǎn)半徑r0，可編程電子模塊控制第一空心軸電機(jī)和第二空心軸電機(jī)，使第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件的相位差與旋轉(zhuǎn)半徑r0相匹配；

s3.確定相位差后，可編程電子模塊再控制第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持相位差不變；

s4.激光光束經(jīng)過可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊后進(jìn)入振鏡模塊，通過第一反射平面和第二反射平面的反射，再通過聚焦模塊會(huì)聚到待切割材料上；

s5.控制第一空心主軸電機(jī)、第二空心主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行激光鉆孔；轉(zhuǎn)動(dòng)任意反射平面，進(jìn)行激光在特定方向上旋轉(zhuǎn)鉆孔切割。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s2中，第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件之間的相位差為0°時(shí)，旋轉(zhuǎn)半徑最大；第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件之間的相位差為180°時(shí)，旋轉(zhuǎn)半徑為0；旋轉(zhuǎn)半徑r與兩個(gè)圓盤光學(xué)元件之間的相位差滿足關(guān)系公式：其中ab是光束通過一個(gè)圓盤光學(xué)元件的垂直偏移量。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s2中，第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件相位差與旋轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系式計(jì)算步驟如下：

s21.當(dāng)光束以θ1角入射到圓盤光學(xué)元件時(shí)，在空氣與圓盤光學(xué)元件交界面發(fā)生光的折射，其折射角為：

s22.沿著入射光線畫一條虛線與圓盤光學(xué)元件相交于a點(diǎn)，以a為頂點(diǎn)作一條垂直線相交于出射光于b點(diǎn)，則出射光偏移值為ab。以入射點(diǎn)o為垂足作垂線交圓盤光學(xué)元件與c點(diǎn)，則h0＝oc，推導(dǎo)出光束經(jīng)過一個(gè)圓盤光學(xué)元件的垂直偏移值為：

s23.光束通過第一圓盤光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)半徑：r1＝abcosi1，

其中i1為圓盤光學(xué)元件311的相位；

光束通過第二圓盤光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)半徑：r2＝abcosi2；

光束通過第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件后，旋轉(zhuǎn)半徑為：

r＝r1+r2＝ab(cosi1+cosi2)

進(jìn)一步化簡得：

s24.以光束通過的第一個(gè)圓盤光學(xué)元件為初相位，第一圓盤光學(xué)元件的相位始終等于零，即i1＝0，則兩個(gè)圓盤光學(xué)元件的相位差滿足以下關(guān)系：

進(jìn)一步可得：

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的激光旋轉(zhuǎn)切割裝置，由程序控制兩個(gè)空心軸電機(jī)的工作方式，從而改變圓盤光學(xué)元件之間的相位差，以達(dá)到改變光束旋轉(zhuǎn)半徑的目的；與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠在緊湊的體積下，通過程序精確控制旋轉(zhuǎn)半徑，進(jìn)而對(duì)不同材料精密鉆孔。同時(shí)，通過控制振鏡，使焦點(diǎn)劃動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)精密切割。

附圖說明

圖1為圓盤光學(xué)元件的光路圖；

圖2為相位差為0°時(shí)第一圓盤光學(xué)元件與第二圓盤光學(xué)元件的位置關(guān)系；

圖3為相位差為90°時(shí)第一圓盤光學(xué)元件與第二圓盤光學(xué)元件的位置關(guān)系；

圖4為相位差為180°時(shí)第一圓盤光學(xué)元件與第二圓盤光學(xué)元件的位置關(guān)系；

圖5為旋轉(zhuǎn)鉆孔切割的工作方式示意圖；

圖6為切割時(shí)會(huì)聚焦點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式示意圖；

圖7為激光旋轉(zhuǎn)切割裝置的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

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)說明。

實(shí)施例一：

如圖7所示，本發(fā)明的一種激光旋轉(zhuǎn)切割裝置，包括激光發(fā)生器1、激光準(zhǔn)直模塊、可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊3、振鏡模塊4和聚焦模塊5，可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊3包括第一空心主軸電機(jī)31、第二空心主軸電機(jī)32、使激光光束在垂直方向上偏移的第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321、由導(dǎo)入程序控制的可編程電子模塊33，第一圓盤光學(xué)元件311內(nèi)嵌在第一空心主軸電機(jī)31中并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，第二圓盤光學(xué)元件321內(nèi)嵌在第二空心主軸電機(jī)32中并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321位于同一水平高度上，第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321尺寸大小完全相同，可編程電子模塊33控制第一空心主軸電機(jī)31和第二空心主軸電機(jī)32，并且各自獨(dú)立工作，激光發(fā)生器1、激光準(zhǔn)直模塊、第一圓盤光學(xué)元件311、第二圓盤光學(xué)元件321、振鏡模塊4和聚焦模塊5沿著激光光束的方向依次排列。

如圖5至圖7所示，激光發(fā)生器1發(fā)出皮秒脈沖激光，通過變倍擴(kuò)束器2，然后依次通過第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321，在振鏡模塊中的平面反射鏡41和平面反射鏡42的反射下，射進(jìn)f-theta場(chǎng)鏡，最后在加工材料上會(huì)聚成一個(gè)極小的光斑。

振鏡模塊4包括第一反射平面41和第二反射平面42，其中所述的第一反射平面41控制光束的水平方向位置，第二反射平面42控制光束的垂直方向的位置，激光光束依次經(jīng)第一反射平面41、第二反射平面42發(fā)射有射入待切割材料，通過控制振鏡模塊4的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)待切割材料上焦點(diǎn)劃動(dòng)。

激光準(zhǔn)直模塊為變倍擴(kuò)束器2，光束可擴(kuò)束為2、4、6、8倍的光束。變倍擴(kuò)束器包括短焦距正透鏡21、短焦距負(fù)透鏡22、長焦距負(fù)透鏡23和長焦距正透鏡24，激光光束依次通過短焦距正透鏡21、短焦距負(fù)透鏡22、長焦距負(fù)透鏡23和長焦距正透鏡24，通過正負(fù)球差減少系統(tǒng)的像差。

第一空心主軸電機(jī)31和第二空心主軸電機(jī)32的轉(zhuǎn)速為500-5000rpm，過高的轉(zhuǎn)速會(huì)因過大的離心力影響光束質(zhì)量。

聚焦模塊5為短焦距f-theta場(chǎng)鏡，工作焦距f＝120mm，可使入射角theta與焦點(diǎn)偏移中心的距離l成線性關(guān)系。

激光發(fā)生器1可根據(jù)實(shí)際需要選擇紫外、可見光和紅外激光器。

為了增加透射光的能量，第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件的入射面和出射面上均設(shè)有一層增透膜，激光光束的入射角θ1是以布儒斯特角入射到第一圓盤光學(xué)元件，第一圓盤光學(xué)元件和第二圓盤光學(xué)元件的傾斜角

實(shí)施例二：

如圖1所示，該第一圓盤光學(xué)元件311側(cè)面輪廓是一個(gè)平行四邊形，材料紫外熔融石英或者bk7。當(dāng)光束以θ1角入射到第一圓盤光學(xué)元件311時(shí)，由于第一圓盤光學(xué)元件311的材料密度與空氣不同，在空氣與圓盤光學(xué)元件交界面發(fā)生光的折射，其折射角為：

沿著入射光線畫一條虛線與圓盤光學(xué)元件相交于a點(diǎn)，如圖1所示，以a為頂點(diǎn)作一條垂直線相交于出射光于b點(diǎn)，則出射光偏移值為ab。以入射點(diǎn)o為垂足作垂線交圓盤光學(xué)元件與c點(diǎn)，則h0＝oc。由幾何數(shù)學(xué)和光的特性，可推導(dǎo)出光束經(jīng)過一個(gè)圓盤光學(xué)元件的垂直偏移值為：

則光束通過第一圓盤光學(xué)元件311的旋轉(zhuǎn)半徑：

r1＝abcosi1(3)

其中i1為第一圓盤光學(xué)元件311的相位。

由于第二圓盤光學(xué)元件321完全相同，同理可得光束通過第一圓盤光學(xué)元件311的旋轉(zhuǎn)半徑：

r2＝abcosi2(4)

則光束通過圓盤光學(xué)元件311和圓盤光學(xué)元件321后，旋轉(zhuǎn)半徑為：

r＝r1+r2＝ab(cosi1+cosi2)(5)

進(jìn)一步化簡得：

以光束通過的第一個(gè)圓盤光學(xué)元件為初相位，第一圓盤光學(xué)元件的相位始終等于零，即i1＝0，則兩個(gè)圓盤光學(xué)元件的相位差它滿足以下關(guān)系：

進(jìn)一步，將公式(2)代入公式(7)可得：

為了直觀相位差與旋轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系，如圖2至4所示為，相位差分別為0°、90°和180°時(shí)，旋轉(zhuǎn)半徑的變化情況，圖2至4中，r0＝2r1，r3＝0，與公式(8)相符合。

實(shí)施例三：

如圖1至7所示，激光旋轉(zhuǎn)切割方法包括以下步驟：

s1.激光發(fā)生器1發(fā)射激光光束，經(jīng)激光準(zhǔn)直模塊變倍擴(kuò)束后進(jìn)入可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊3，設(shè)置第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321相位初始為0°；

s2.給可編程電子模塊33輸入旋轉(zhuǎn)半徑r0，可編程電子模塊33控制第一空心軸電機(jī)31和第二空心軸電機(jī)32，使第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321的相位差與旋轉(zhuǎn)半徑r0相匹配；

s3.確定相位差后，可編程電子模塊33再控制第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持相位差不變；

s4.激光光束經(jīng)過可控旋轉(zhuǎn)半徑模塊3后進(jìn)入振鏡模塊4，通過第一反射平面41和第二反射平面42的反射，再通過聚焦模塊5會(huì)聚到待切割材料上；

s5.控制第一空心主軸電機(jī)31、第二空心主軸電機(jī)32旋轉(zhuǎn)進(jìn)行激光鉆孔；轉(zhuǎn)動(dòng)任意反射平面，進(jìn)行激光在特定方向上旋轉(zhuǎn)鉆孔切割。

其中，步驟s2中，第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321之間的相位差為0°時(shí)，旋轉(zhuǎn)半徑最大；第一圓盤光學(xué)元件311和第二圓盤光學(xué)元件321之間的相位差為180°時(shí)，旋轉(zhuǎn)半徑為0；旋轉(zhuǎn)半徑r與兩個(gè)圓盤光學(xué)元件之間的相位差滿足關(guān)系公式：其中ab是光束通過一個(gè)圓盤光學(xué)元件的垂直偏移量。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。