[发明专利]光束形成装置及其形成方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及激光打孔设备中的一种光束形成装置及其方法，特别适用于高硬脆材料的微孔加工。

背景技术

激光加工技术已经渗透于各行各业，尤其是在微电子，航空航天等高精度行业中，对加工尺寸的要求越来越小，精度越来越高，激光加工已成了一项无可替代的方法。在对材料的加工类型中，打孔占据了很大部分的比例。激光打孔一般有四种类型：单脉冲打孔，多脉冲打孔，旋转打孔，螺旋打孔。

目前比较优的技术是螺旋打孔，激光通过聚焦透镜聚焦之后，作用在工件表面上，光束在沿着加工轨迹运动，剥蚀掉一层材料后，激光光束的焦点就不在工件新的表面上，处于离焦状态。此时将激光光束的焦平面下移至工件的表面，或者激光光束焦平面保持不动，将工件上移，保证新的表面在激光光束的焦平面上。这样能够保证激光光束永远正焦，一层层逐渐剥蚀掉所需要加工的材料。

螺旋打孔能够保证加工孔质量精细，孔壁光滑，无熔融物和重铸层。

螺旋打孔的缺点是加工效率比较低，而且需要熔融掉孔内的所有材料，对于能量的利用率低下。

目前有一种打孔方式是利用空心环形光束，将能量集中在光斑的环形区域内，而不是分布在整个光斑面积中，提升能量利用率。利用空心环形光束进行单脉冲打孔时，需要很大的能量才能在一个脉冲的作用下完成打孔。当能量一定时，可以用多脉冲打孔的方式进行打孔，这样激光能量长时间作用在工件上时，孔的边缘会出现熔融物，孔壁粗糙，有重铸层。

发明内容

为了解决激光打孔中存在的上述问题，本发明提出了激光打孔设备中的一种光束形成装置及其方法，提高能量的利用率，打孔质量精细，无熔融物和重铸层，孔壁光滑。本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种光束形成装置，其包括沿光轴方向依次布置的一激光器、一对透镜、一道威棱镜、一平面反射镜、一正轴棱锥和一聚焦透镜；所述透镜之间的距离可调，用以调整激光器出射光束的光斑尺寸和发散角；所述道威棱镜安装在空心轴旋转电机中，以光轴为中心旋转，从所述道威棱镜出射的光束也将随着旋转；所述平面反射镜用于偏转光束的传输方向；所述聚焦透镜在光束传输方向上的位置可调，经所述聚焦透镜后的出射光束为一束旋转的空心环形光束。

一种光束形成方法，其包括：激光器的出射光束经过光斑尺寸和发散角的调整后入射到以光轴为中心旋转的道威棱镜；从所述道威棱镜出射的光束也以光轴为中心旋转，然后通过平面反射镜偏转光束的传输方向，光束依次通过正轴棱锥和聚焦透镜后，形成一束旋转的空心环形光束。

附图说明

图1为本发明第一种光束形成装置的结构图；

图2为本发明形成的空心环形光束的示意图；

图3为本发明第二种光束形成装置的结构图；

图4为本发明第三种光束形成装置的结构图；

图5为本发明第四种光束形成装置的结构图；

图6为本发明激光器出射光束的能量密度分布图；

图7为本发明第一种至第四种光束形成装置形成的空心环形光束的能量密度分布图；

图8为本发明第五种光束形成装置的结构图；

图9为本发明第五种光束形成装置形成的空心环形光束的能量密度分布图；

图中各标记的含义如下：

1，   激光器

2，   光闸

31   透镜1

32，  透镜2

4，   道威棱镜

41   光楔

42   光楔

5，   平面反射镜；

61，  负轴棱锥；

62，  正轴棱锥；

7，   聚焦透镜；

81，  聚焦透镜的焦平面；

82，  光束作用面

9，   高斯光束整形元件

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述：