[發(fā)明專利]一種激光打孔方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711117313.5
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107824959A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 覃貝倫;秦應(yīng)雄;馬修泉;肖瑜;彭浩;唐霞輝
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K26/046
• 分類號: B23K26/046;B23K26/06;B23K26/064;B23K26/382
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 廖盈春,李智

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種激光打孔方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足日趨復雜的孔徑加工的要求。例如在高熔點金屬鉬板上加工微米量級孔徑的微孔；在堅硬的碳化鎢臺金上加工直徑為幾十微米的小孔；在硬而脆的紅、藍寶石上加工幾百微米直徑的深孔等硬而脆的材質(zhì)，用常規(guī)的機械加工方法是不可能的。

激光束是在空間和時間上高度集中的光子流束，應(yīng)用光學聚焦技術(shù)可以將其匯聚在微米量級的極小范圍內(nèi)，以獲得10⁵W/cm²～10¹⁵W/cm²量級的極高的光照功率密度。這是任何其它光源所不能及的。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可對任何材料實行激光打孔。激光打孔具有：不需要加工工具、加工速度快、表面變形小、可以加工各種材料等顯著的優(yōu)越性，所以在工程領(lǐng)域受到廣泛的重視。光在材料的微細加工上有著與傳統(tǒng)加工和其它特種加工手段不可比擬的優(yōu)勢，激光打孔熱作用區(qū)小，加工精度較高，具有廣泛的通用性。但是，普通的激光打孔加工裝置仍然具有終止階段的激光功率密度下降，去除材料的快速飛濺冷卻，排出不及時導致孔徑的深度或者錐度無法繼續(xù)做到更好，孔壁的光潔度較差，孔的圓整度不好，特別是在孔壁上產(chǎn)生再鑄層，甚至會導致孔徑堵塞等現(xiàn)象，影響孔的精度。

因此，如何提高所加工孔徑的孔壁質(zhì)量，增大深徑比，進一步減小錐度，是激光孔徑加工行業(yè)亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種復合式激光打孔方法及系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有激光打孔加工裝置加工的孔徑的深度或者錐度無法繼續(xù)做到更好，孔壁的光潔度較差，孔的圓整度不好，特別是在孔壁上產(chǎn)生再鑄層，甚至會導致孔徑堵塞等現(xiàn)象，影響孔的精度的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供一種激光打孔系統(tǒng)，包括：激光器光源、分束開關(guān)、偏振光束變換單元以及合束開關(guān)；

激光器光源，用于發(fā)射基模高斯光束；分束開關(guān)，用于控制基模高斯光束是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，基模高斯光束通過合束開關(guān)作用于待加工的工件；偏振光束變換單元，用于當基模高斯光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，將偏轉(zhuǎn)后的基模高斯光束轉(zhuǎn)換成環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束；合束開關(guān)，用于當分束開關(guān)控制基模高斯光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，控制環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得偏轉(zhuǎn)后的環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束與激光器光源發(fā)射基模高斯光束同軸，以使環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束作用于待加工的工件。

其中，基模高斯光束為高斯分布的光束，其僅有一個主峰，用基模高斯光束加工工件主要目的為材料燒蝕形成孔徑，完成初步的加工。熔化飛濺的剩余材料可能會因排出不及時，以及高斯光束邊緣能量降低等原因造成剩余材料又冷卻附著在孔壁，導致孔壁的光潔度不好、易形成裂紋等問題。而光場分布為環(huán)形的角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束其截面有兩個主峰，且這兩個主峰相對基模高斯光束的主峰位置對稱分布，因此，可利用環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束對已初步加工形成的孔壁進行進一步地修飾加工，達到提高孔徑質(zhì)量的目的。

本發(fā)明提供的激光打孔系統(tǒng)，可以通過控制基模高斯光束是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以控制基模高斯光束和環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束分別加工工件孔徑的中間位置和孔壁位置，以提高加工工件的光潔度與質(zhì)量，加工出高質(zhì)量的孔。

具體地，偏振光束變換單元可以為偏振轉(zhuǎn)換器(polarization converter，PC)、亞波長光柵、組合波片或螺旋相位板等能夠?qū)⑤斎牖８咚构馐D(zhuǎn)換成環(huán)形角向偏振型光束的器件。

可選地，該系統(tǒng)還包括：軸錐棱鏡；軸錐棱鏡位于偏振光束變換單元和合束開關(guān)之間，用于將環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束轉(zhuǎn)換成環(huán)形角向偏振型的高階貝塞爾光束，使其具有近無衍射傳輸?shù)奶匦裕缓鲜_關(guān)，用于使環(huán)形角向偏振型的高階貝塞爾光束作用于待加工的工件。

本發(fā)明利用軸錐棱鏡將環(huán)形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束轉(zhuǎn)換成環(huán)形角向偏振型的高階貝塞爾光束，使其具有近無衍射傳輸?shù)奶匦裕梢蕴岣呒庸すぜ募庸ど疃龋暂o助孔徑底部的繼續(xù)加工以及多余材料的排出，從而實現(xiàn)加工大深徑比，小錐度以及高的孔壁光潔度質(zhì)量的孔。