一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及激光钻孔加工技术领域，具体涉及一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔系统。
【背景技术】
[0002]目前的激光钻孔，在一个钻孔位置上的钻孔，基本都是从激光光源的脉冲重复频率的提高、激光光束整形、光束扫描的速度的提高几个方面考虑，对于激光光源的脉冲重复频率的提高，已经从当初几十千赫兹提升到一兆赫兹或者更高;激光光束整形则被更多人尝试，主要是平顶光斑的应用;光束扫描已经从振镜扫描提升到电光扫描、声光扫描、高速旋转扫描等，但是电光扫描与声光扫描在器件的热稳定性变化带来的扫描位置精度的变化方面面临一些困难，高速旋转扫描不能够解决扫描孔径的变化。不论如何，在于一个具体的微孔钻孔，上述思路一致围绕激光光源、激光光束变换、激光光速旋转扫描这个思路进行，这是一种串行思维模式，是局限在“单车道”上面解决问题，本实用新型跳出串行思维模式，采用了并行思维模式，即“多车道”思维模式，从时间与空间两个空间考虑解决不同孔径的阵列微孔特别是阵列盲孔的高速扫描问题。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔系统，能够弥补现有技术的不足。
[0004]本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下:
[0005]本实用新型提供了一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔系统，包括激光器组、激光束旋转调制器组、激光合束器、振镜扫描平场聚焦模块、激光钻孔同步控制模块和待加工工件；
[0006]所述激光器组，包括至少一个激光器，用于发射两束或两束以上的钻孔激光束；
[0007]所述激光束旋转调制器组，包括两个或两个以上的激光束旋转调制器，每一个激光束旋转调制器对应一束钻孔激光束，每一个所述激光束旋转调制器，用于对对应的钻孔激光束进行运动空间调制，获得对应的旋转钻孔激光束，并入射激光合束器，其中，每一束旋转钻孔激光束的光轴与该旋转钻孔激光束的旋转对称轴之间的夹角大于O弧度小于20毫弧度；
[0008]所述激光合束器，用于对入射的多束旋转钻孔激光束进行合束，输出旋转钻孔激光束组，其中，合束后的旋转钻孔激光束组内的多束旋转钻孔激光束光轴空间旋转对称轴之间空间平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴)，所述近似平行(含近似同轴)是指所述旋转钻孔激光束组内各旋转钻孔激光束间的光轴旋转对称轴之间的空间夹角小于I毫弧度；
[0009]所述振镜扫描平场聚焦模块，包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述旋转钻孔激光束组入射扫描振镜后输出振镜扫描光束组，所述振镜扫描光束组入射扫描平场聚焦镜，获得旋转激光聚焦焦点组，其中，所述旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点中心的运动轨迹为同心圆或者近似同心圆，所述近似同心圆是指旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点中心运动圆形轨迹的圆心离散度小于50微米，所述同心圆或者近似同心圆的直径小于300微米;所述扫描振镜，用于控制振镜扫描光束组高速切换进而控制旋转激光聚焦焦点组在待加工工件的不同加工孔位之间进行高速切换，或者，用于在待加工工件的一个加工孔位对旋转激光聚焦焦点组进行辅助运动调制；
[0010]所述激光钻孔同步控制模块，用于控制所述激光器组、激光束旋转调制器组和振镜扫描平场聚焦模块之间协同动作。
[0011]其中，所述激光器组，包括至少一个激光器，如果是一台激光器，指该激光束输出光束可以分束为多光束，可以由所述激光钻孔同步控制模块直接控制激光器开关光，或者采用外调制光开关分别控制每一束光束的开关光，所述外调制光开关也由所述激光钻孔同步控制模块控制。
[0012]本实用新型的有益效果为:多束钻孔激光束经过高速旋转调制并进行激光合束后，输出旋转对称轴线空间平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴)的旋转钻孔激光束组，经过振镜扫描平场聚焦模块，在待加工工件上形成旋转的旋转激光聚焦焦点组，旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点旋转轨迹为同心圆或者近似同心圆，激光聚焦焦点组从时间与空间两个维度对待加工工件的同一加工孔位进行加工，成倍提高激光钻孔效率，结合振镜扫描将激光聚焦焦点组在孔与孔之间进行高速位置切换等技术，实现高效高精度高质量激光群孔钻孔。
[0013]平行的激光束经相同角度入射平场聚焦镜，在入射角度与位置处于平场聚焦镜入射范围内时，所有平行激光束的聚焦焦点空间重合，从光学的另一个角度看，可以把所有平行光束看做一束激光束，经过聚焦后焦点当然只有一个;经相同角度入射平场聚焦镜，在入射角度与位置处于平场聚焦镜入射范围内时，所有旋转对称轴平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴)的激光束的聚焦焦点的运动轨迹为同心圆或者近似同心圆；因此，所有上述旋转激光束组可以对同一待加工的孔(特别是盲孔)进行加工，从时间与空间两个方面直接成倍提高微孔加工速度，时间上是指这些钻孔激光束同时或者先后对同一孔进行加工，空间上是指这些钻孔激光束的聚焦聚焦焦点旋转轨迹是同心圆或者近似同心圆，都在一个孔位范围内对同一孔进行加工。这是本实用新型的实用新型点。不同的光束旋转调制方式的组合，又体现出除了加工效率以外的更多的群孔盲孔加工的优越性。
[0014]在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以作如下改进。
[0015]进一步的，所述激光束旋转调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件或者电流计摆动折射棱镜光学元件中的任意一种或多种的串联组合。
[0016]所述任意一种或多种的串联组合是指种类而言，对于透射光束偏摆调制方式或者反射光束偏摆调制方式而言，要形成旋转的光束，至少需要两个元件串联，即声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或摆动折射棱镜光学元件需要至少两件串联使用才可以实现光束旋转。
[0017]进一步的，还包括激光扩束器组，所述激光扩束器组包括两只或两只以上的激光扩束器，所述钻孔激光束组内的每一束钻孔激光束对应一只激光扩束器；
[0018]当所述激光束旋转调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件或电流计摆动折射棱镜光学元件中的任意一种或多种的串联组合时，所述激光扩束器组位于所述激光器组和激光束旋转调制器组之间，用于对激光器组发射的多束钻孔激光束进行扩束;或者，所述激光扩束器组位于激光旋转调制器组和激光合束器之间，用于对多束旋转钻孔激光束进行扩束;或者，所述激光扩束器组位于激光合束器和所述扫描平场聚焦模块之间，用于对合束后的旋转钻孔激光束组进行扩束；
[0019]当所述激光束旋转调制器为电流计驱动反射镜时，所述激光扩束器组位于激光旋转调制器组和激光合束器之间，用于对多束旋转钻孔激光束进行扩束;或者，所述激光扩束器组位于激光合束器和所述扫描平场聚焦模块之间，用于对合束后的旋转钻孔激光束组进行扩束。
[0020]所述进一步的有益效果为:激光束旋转调制器组调制钻孔激光束的旋转全角角度处于振镜高频扫描区间，使得振镜具备最高的往返扫描频率，经过扩束倍率为N倍的激光扩束器的旋转摆动角度压缩，扩束后的旋转激光束的旋转摆角变为扩束器入射光束旋转摆角的N分之一，这样，宏观的高速扫描振镜高频往返扫描经过所述扩束器后获得精细角度分辨率的微观高速扫描，既能够提高扫描频率，又获得精细角度扫描分辨率，非常适合于激光精密微加工。
[0021 ]类似的思想是钻孔激光束扩束以后，电流计驱动折射棱镜光学元件扫描钻孔激光束，由于摆动折射棱镜光学元件，透射的激光束摆动角度可以减少为棱镜摆动角度的十分之一甚至千分之一，如此可以使得电流计工作在最佳扫描频率范围内获得最快扫描频率，使得高速电流计的宏观扫描加工变为微观扫描加工。激光扩束器的位置不同，对钻孔激光束光轴旋转全角设计时也会有所改变，因为激光扩束器有旋转角度压缩功能，光束旋转角度压缩率理论上为扩束器的倍率。
[0022]进一步，当所述激光束旋转调制器组为电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件和电流计驱动反射镜的并联组合，或者所述激光束旋转调制器组为电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件和电流计驱动折射棱镜光学元件的并联组合时，所述旋转激光聚焦焦点组内激光焦点旋转形成的同心圆或者近似同心圆轨迹中，中心的圆形轨迹由电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件对透射钻孔激光束旋转形成，其他的圆形轨迹由电流计驱动反射镜对反射的钻孔激光束旋转形成或者电流计驱动折射棱镜光学元件对透射的钻孔激光束旋转形成。
[0023]所述进一步的有益效果为:旋转激光聚焦焦点组内各激光聚焦焦点运动形成的同心圆轨迹中，中心圆形轨迹曲线的曲率太大，电流计驱动反射镜方式，即传统振镜电机驱动振镜镜片方式的激光束旋转调制器无法完成高速的扫描，即使电流计驱动反射镜低速旋转调制钻孔激光束，也存在用多边形无限接近圆形的拟合过程，光束旋转调制效率低，效果也不好，因此中心圆形轨迹曲线避免采用振镜扫描(电流计驱动反射镜方式)，而该中心圆形轨迹由电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件对透射钻孔激光束旋转扫描，所获得的圆形轨迹曲线平滑，如此一来，振镜扫描外围同心圆轨迹，具备柔性扫描能力，可以扫描多圈同心圆轨迹，而电主轴电机驱动旋转折射棱镜扫描中心同心圆轨迹，所扫描轨迹曲线光滑无比，这是一种非常完美的光束扫描组合。
[0024]进一步的，在所述激光合束器与所述振镜扫描平场聚焦模块之间串入激光折射扫描模块，所述激光折射扫描模块，包括两个或者两个以上串联的透明棱镜光学元件，每一个透明棱镜光学元件安装在对应的振镜电机主轴上，用于在振镜电机的驱动下进行摆动，以调整合束后的旋转钻孔激光束组的偏移角度变化量，以及在所述激光钻孔同步控制模块的控制下，对合束后的旋转钻孔激光束组进行复合扫描运动。
[0025]所述进一步的有益效果为:安装光学元件的电机主轴摆动同样的角度，折射棱镜光学元件对透射光束的偏摆角度远远小于反射镜对反射光束的偏摆角度，因此采用激光折射扫描模块，可以极大的提高光束偏摆复合运动的精度，所述激光钻孔同步控制模块控制所述激光折射扫描模块对透射光束进行复合偏摆运动，解决原有孔径不可连续调整问题。
[0026]进一步的，还包括加热与清洗激光器;所述加热与清洗激光器设置于所述激光合束器之前，用于发射加热与清洗激光束；
[0027]所述加热与清洗激光束经激光合束器进入所述振镜扫描平场聚焦模块时，其光轴与任一旋转钻孔激光束的光轴旋转对称轴之间的夹角小于I毫弧度;所述加热与清洗激光束经过所述振镜扫描平场聚焦模块聚焦后获得激光加热与清洗光斑，其中，所述旋转激光聚焦焦点组的运动轨迹处于该激光加热与清洗光斑范围内；
[0028]当所述旋转激光聚焦焦点组对待加工工件进行扫描钻孔时，所述激光加热与清洗激光光斑在所述旋转激光聚焦焦点组出光前或出光时对扫描钻孔区域进行时空同步的激光加热与清洗预处理;或者，在所述旋转激光聚焦焦点组出光时或者关光后对扫描钻孔区域进行时空同步的激光照射清洗。
[0029]所述进一步的有益效果为:所述时空同步，指在对待加工工件的具体孔位钻孔时，在空间上，所述激光加热与清洗光斑与激光平场聚焦镜以及待加工工件相对静止，所述旋转激光聚焦焦点组与待加工工件相对运动，所述旋转激光聚焦焦点组仅限于在所述激光加热与清洗光斑范围内扫描钻孔，所述激光加热与清洗光斑与所述聚焦焦点组运动轨迹在空间上是包含与被包含的关系；在时间上，所述钻孔旋转激光束聚焦焦点组与所述激光加热与清