[發明專利]一種激光打孔方法及系統

在審

• 申請號: 201711117313.5
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107824959A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發明（設計）人: 覃貝倫;秦應雄;馬修泉;肖瑜;彭浩;唐霞輝
• 申請（專利權）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

技術領域

本發明屬于激光加工技術領域，更具體地，涉及一種激光打孔方法及系統。

背景技術

隨著科學技術的迅速發展，傳統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，用常規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，應用光學聚焦技術可以將其匯聚在微米量級的極小范圍內，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越性，所以在工程領域受到廣泛的重視。光在材料的微細加工上有著與傳統加工和其它特種加工手段不可比擬的優勢，激光打孔熱作用區小，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，特別是在孔壁上產生再鑄層，甚至會導致孔徑堵塞等現象，影響孔的精度。

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

發明內容

本發明的目的在于提供一種復合式激光打孔方法及系統，旨在解決現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，特別是在孔壁上產生再鑄層，甚至會導致孔徑堵塞等現象，影響孔的精度的技術問題。

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

激光器光源，用于發射基模高斯光束；分束開關，用于控制基模高斯光束是否發生偏轉，當不發生偏轉時，基模高斯光束通過合束開關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生偏轉時，將偏轉后的基模高斯光束轉換成環形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束；合束開關，用于當分束開關控制基模高斯光束發生偏轉時，控制環形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束發生偏轉，使得偏轉后的環形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束與激光器光源發射基模高斯光束同軸，以使環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，達到提高孔徑質量的目的。

本發明提供的激光打孔系統，可以通過控制基模高斯光束是否發生偏轉，以控制基模高斯光束和環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量，加工出高質量的孔。

具體地，偏振光束變換單元可以為偏振轉換器(polarization converter，PC)、亞波長光柵、組合波片或螺旋相位板等能夠將輸入基模高斯光束轉換成環形角向偏振型光束的器件。

可選地，該系統還包括：軸錐棱鏡；軸錐棱鏡位于偏振光束變換單元和合束開關之間，用于將環形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束轉換成環形角向偏振型的高階貝塞爾光束，使其具有近無衍射傳輸的特性；合束開關，用于使環形角向偏振型的高階貝塞爾光束作用于待加工的工件。

本發明利用軸錐棱鏡將環形角向偏振型的拉蓋爾-高斯光束轉換成環形角向偏振型的高階貝塞爾光束，使其具有近無衍射傳輸的特性，可以提高加工工件的加工深度，以輔助孔徑底部的繼續加工以及多余材料的排出，從而實現加工大深徑比，小錐度以及高的孔壁光潔度質量的孔。