技术领域
[0001] 本
发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种超快激光微纳切割钻孔设备及方法。
背景技术
[0002] 超快激光作为微纳加工和科学领域的理想
光源，已被广泛应用在航空航天、信息技术、新
能源及新材料等产业，其具备有精密微细、低损低热及三维选择等特点。
[0003] 但是，现有的超快激光微纳加工设备还无法加工出高深径比的孔，其中，深径比是指孔深与孔径的比值。因此，急需提出一种能够加工出高深径比孔的超快激光微纳切割钻孔设备。
发明内容
[0004] 本发明的主要目的在于提出一种超快激光微纳切割钻孔设备，以解决现有的超快激光微纳加工设备无法加工出高深径比孔的技术问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出一种超快激光微纳切割钻孔设备，该超快激光微纳切割钻孔设备包括机座和设置在所述机座上的激光发生模组、双光束切割模组及裂片钻孔模组，所述激光发生模组包括超快
激光器、连续激光器及气体激光器，所述超快激光器与连续激光器用于产生两束不同的
激光束并输入至所述双光束切割模组，所述气体激光器用于产生另一激光束并输入至所述裂片钻孔模组，所述双光束切割模组包括可移动的切割平台、设置在所述切割平台上方的
激光切割头以及两个光束整形单元，两个所述光束整形单元分别设置在由所述超快激光器和连续激光器产生的激光的传输光路上，所述裂片钻孔模组包括可移动的裂片钻孔平台和设置在所述裂片钻孔平台上方的裂片钻孔头。
[0006] 优选地，所述光束整形单元包括沿激光束的传输方向依次设置的扩束镜和若干反射镜，所述扩束镜用于对所述激光束进行扩束
准直，所述反射镜用于调
整经扩束准直后的激光束的传输方向。
[0007] 优选地，所述双光束切割模组还包括用于将高斯光束整形为平顶光束的平顶整形器以及用于将一束激光分束成若干束激光的微透镜阵列，所述平顶整形器设置在所述扩束镜和反射镜之间，所述微透镜阵列设置在所述激光切割头的输出光路上。
[0008] 优选地，所述超快激光微纳切割钻孔设备还包括第一
电机、与所述第一电机的输出执行端连接的第一运动单元和用于检测所述第一运动单元的位移量的第一光栅尺，所述第一运动单元的另一端与所述切割平台连接；以及，第二电机、与所述第二电机的输出执行端连接的第二运动单元和用于检测所述第二运动单元的位移量的第二光栅尺，所述第二运动单元的另一端与所述裂片钻孔平台连接。
[0009] 优选地，所述超快激光微纳切割钻孔设备还包括用于
吸附定位的
真空发生装置，所述真空发生装置包括真空发生器、真空管路以及分别设置在所述切割平台和裂片钻孔平台上的吸附孔。
[0010] 优选地，所述超快激光微纳切割钻孔设备还包括设置在所述切割平台上方的视觉检测装置，所述视觉检测装置包括CCD相机和光源。
[0011] 优选地，所述超快激光微纳切割钻孔设备还包括用于对放置在所述切割平台上的
工件进行固定的第一夹紧装置和用于对放置在所述裂片钻孔平台上的工件进行固定的第二夹紧装置，所述第一夹紧装置可移动地设置在所述切割平台的上方，所述第二夹紧装置可移动地设置在所述裂片钻孔平台的上方。
[0012] 优选地，所述超快激光微纳切割钻孔设备还包括自动上下料装置，所述自动上下料装置包括上料平台、用于将所述上料平台上的工件转移至所述切割平台上的第一机械手、下料平台以及用于将所述裂片钻孔平台上的成品转移至所述下料平台上的第二机械手。
[0013] 优选地，所述超快激光器为飞秒激光器或皮秒激光器，所述气体激光器为二
氧化
碳激光器。
[0014] 本发明还提出一种超快激光微纳切割钻孔方法，该超快激光微纳切割钻孔方法包括：将待加工工件搬运至切割平台上；启动超快激光器和连续激光器，对超快激光器和连续激光器发出的两束激光分别进行扩束准直，并对经扩束准直后的激光的传输方向进行调整；通过激光切割头将接收到的两束激光分别照射在工件的表面，并通过扫描的方式对工件进行切割；将切割完成后的工件搬运至裂片钻孔平台上；启动气体激光器，将气体激光器产生的激光束输入至裂片钻孔头，通过裂片钻孔头将接收到的激光束照射在工件表面，并通过扫描的方式对工件进行裂片、钻孔；将裂片钻孔平台上的成品搬运至下料平台上。
[0015] 本发明
实施例的有益效果在于：通过光束整形、双光束切割、激光裂片及激光钻孔复合加工，实现对高深径比的孔的加工。
附图说明
[0016] 图1为本发明超快激光微纳切割钻孔设备一实施例的结构示意图；
[0017] 图2为本发明超快激光微纳切割钻孔设备未装配第一夹紧装置的结构图；
[0018] 图3为本发明超快激光微纳切割钻孔设备的双光束切割的原理图；
[0019] 图4为本发明超快激光微纳切割钻孔设备的光束整形原理图；
[0020] 图5为本发明超快激光微纳切割钻孔设备的多光束飞秒旋切原理图；
[0021] 图6为本发明超快激光微纳切割钻孔方法一实施例的
流程图。
具体实施方式
[0022] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023] 为解决上述技术问题，本发明提出一种超快激光微纳切割钻孔设备，结合图1、图2，该超快激光微纳切割钻孔设备包括机座1和设置在机座1上的激光发生模组、双光束切割模组及裂片钻孔模组，激光发生模组包括超快激光器2、连续激光器3及气体激光器，超快激光器2与连续激光器3用于产生两束不同的激光束并输入至双光束切割模组，气体激光器用于产生另一激光束并输入至裂片钻孔模组，双光束切割模组包括可移动的切割平台4、设置在切割平台4上方的激光切割头5以及两个光束整形单元6，两个光束整形单元6分别设置在由超快激光器2和连续激光器3产生的激光的传输光路上，裂片钻孔模组包括可移动的裂片钻孔平台7和设置在裂片钻孔平台7上方的裂片钻孔头。
[0024] 需要说明的是，由连续激光器3产生的连续激光的峰值
密度较低，导致其整体功率不高，当连续激光照射在待加工工件的表面时，待加工工件的表面会吸收连续激光以达到激光切割的初始
温度，从而使得工件表面烧蚀或者破裂的粉末材料
熔化，而又不会产生高温
等离子体烧蚀效应。超快激光器2产生的激光为脉冲激光，当脉冲激光照射到待加工工件的表面时，会产生高温等离子体烧蚀效应，以对待加工工件的表面进行烧蚀并去除烧蚀部分，从而实现对待加工工件的精细加工。同时，由于本发明所涉及的超快激光微纳切割钻孔设备利用超快激光器2和连续激光器3对工件进行双光束并行加工，能够有效提高加工效率。本发明所涉及的超快激光微纳切割钻孔设备可用于智能手机
触摸屏切割、
薄膜刻蚀、
太阳能电池晶圆划片、
电路板微钻孔、微纳结构、
生物科研及医疗器具等产业，包括但不限于此。
[0025] 当需要对待加工工件进行加工时，由控制系统控制控制连续激光器3产生连续激光，并经光束整形单元6整形后，照射在待加工工件的表面，从而对待加工工件进行粗加工，使得待加工工件的表面达到预设的初始温度。同时，控制系统控制超快激光器2产生脉冲激光，并经光束整形单元6整形后，照射在待加工工件的表面，以产生高温等离子体烧蚀效应，从而实现对待加工工件的精细加工。经双光束切割完成后，再由裂片钻孔模组对切割后的工件进行裂片、钻孔，具体的，由控制系统控制气体激光器产生激光束并输入至裂片钻孔头内，通过裂片钻孔头将接收到的激光束照射在工件表面，以对工件进行加热，其主要利用热胀冷缩的原理使产品与废料实现快速分离。经多次试验证明，分离后产品的崩边小于5um，且强度更高，尤其适合在蓝
宝石、强化或非强化玻璃等透明脆性材料上的切割、裂片及钻孔等加工。
[0026] 可以理解的是，上述提及的控制系统是事先编程有控制程序的计算机，即工控器，以通过
计算机程序控制激光发生模组、双光束切割模组及裂片钻孔模组的运行，实现对高深径比的孔的微纳加工。
[0027] 另外，本发明所涉及到的激光切割头5及裂片钻孔头是按照预设的加工轨迹运动，以扫描的方式对待加工工件进行激光切割、裂片及钻孔。激光切割头5及裂片钻孔头的实质即为扫描振镜，包括振镜、扫描镜及场镜。
[0028] 本发明超快激光微纳切割钻孔设备采用超快激光多光束旋切高深径比微孔，具体的，被加工工件通过夹具固定，保持静止，整形后的超快激光束，做旋转圆周运动。激光束绕旋转中心做半径的回转，回转一圈或者多圈，便在工件上切下一个孔径为r的通孔。
[0029] 参见图5，超快激光旋切钻孔的基本原理：激光
能量、离焦量轨迹，在激光旋切法加工
盲孔过程中，对孔形和表面
质量的影响，并且激光是在空间上高度集中的
光子流束，应用光学聚焦技术可将激光聚焦在微米量级的极小范围内，从而获得功率密度为107～1011W/cm2的激光束，如此高的功率密度几乎可以对任何材料进行
激光打孔。通过旋转光路系统中楔形棱镜使激光束绕中心线旋转来加工件，超快激光功率为可调，激光脉冲
频率可调，脉冲宽度为1ps-10fs，辅助气体为氮气，气为0～0.8MPa可调加工试件材料为碳化
硅陶瓷
复合材料。
[0030] 深孔加工装备是机械制造装备(机床工具)
门类中的一个重要组成部分。现代深孔加工技术的崛起，为制造装备行业增添了深孔机床、深孔刀具两个专业化的装备制造行业和一个以专门加工深孔零件为特色的制造行业。它们的历史贡献在于将深孔加工这门新兴技术推广应用于国民经济建设的各个领域，为社会的现代化发展增添了新的生命
力。
[0031] 进一步的，参见图3，上述实施例中提出的光束整形单元6包括沿激光束的传输方向依次设置的扩束镜61和若干反射镜62，扩束镜61用于对激光束进行扩束准直，反射镜62用于调整经扩束准直后的激光束的传输方向。本实施例中，由超快激光器2或连续激光器3产生的激光束经扩束镜61进行扩束准直处理；而后，再经第一反射镜进行第一次反射，以改变激光束的传输方向；然后，再经第二反射镜进行第二次反射，以再次改变激光束的传输方向，并使得该激光束能够输入至激光切割头5内，以供激光切割使用。当然，反射镜62的数量可根据实际情况进行设置，不限于本实施例技术方案中的反射镜62的数量。
[0032] 参见图4，本发明所涉及的双光束切割模组还包括用于将高斯光束整形为平顶光束的平顶整形器8以及用于将一束激光分束成若干束激光的微透镜阵列9，平顶整形器8设置在扩束镜61和反射镜62之间，微透镜阵列9设置在激光切割头5的输出光路上。本实施例中，通过平顶整形器8可将高斯分布的入射激光转变成任意波前形状的激光输出(圆形、方形、正方形和线形)，光束光强分布均匀，具有陡峭的边缘。均匀分布的光斑在光处理过程中具有很大的优势，可以有效排除特殊区域的过量曝光或曝光不足，另外，陡峭的光束边缘使光处理区域和非处理区域的界限更加明显。此外，通过本实施例中的微透镜阵列9可有效地将入射激光分成多束分离的光束，使得输入激光在多重通道获得更好的能量分布，从而提高激光切割的效率和性能，同时，还可有效的减少热效应。
[0033] 在一较佳实施例中，为提高切割平台4和裂片钻孔平台7的运动
精度，使得激光切割头5及裂片钻孔头能够对切割平台4和裂片钻孔平台7上放置的工件进行精准的切割、裂片及钻孔工序，以提高产品质量。参见图2，本发明所涉及的超快激光微纳切割钻孔设备还包括第一电机、与第一电机的输出执行端连接的第一运动单元10和用于检测第一运动单元10的位移量的第一光栅尺20，第一运动单元10的另一端与所述切割平台4连接；以及，第二电机、与第二电机的输出执行端连接的第二运动单元30和用于检测第二运动单元30的位移量的第二光栅尺40，第二运动单元30的另一端与裂片钻孔平台7连接。具体的，第一电机和第二电机为X/Y直线电机，通过直线电机、光栅尺及控制系统，实现全闭环控制，以对运动单元的位移进行精准控制。
[0034] 在另一较佳实施例中，为使得放置在
工作台(切割平台、裂片钻孔平台)上的工件能够固定在预设
位置上，本发明所涉及的超快激光微纳切割钻孔设备还包括用于吸附定位的真空发生装置，真空发生装置包括真空发生器、真空管路以及分别设置在切割平台4和裂片钻孔平台7上的吸附孔。本实施例中，利用
负压对工件进行吸附定位，以使得工件稳定放置在工作台上。具体的，当工件放置在工作台上后，启动真空发生器，并通过真空管路将工件与工作台之间的空气抽出，以使得工件与工作台之间的压力小于外界
大气压，从而形成压力差(负压)，通过该压力差可使得工件稳定的贴合在工作台表面。
[0035] 在又一较佳实施例中，本发明所涉及的超快激光微纳切割钻孔设备还包括设置在切割平台4上方的视觉检测装置，视觉检测装置包括CCD相机和光源。本实施例中，利用CCD相机进行
图像采集，对采集到的图像进行处理和分析，以对工件表面的待切割区域进行定位；待定位完成后，由控制系统规划切割路径；而后，启动超快激光器2和连续激光器3，将超快激光器2和连续激光器3产生的激光束通过激光切割头5聚焦在工件的待切割区域；然后，由设置在激光切割头5上的激光焦点
跟踪系统，实时测量和显示激光切割头5输出激光的焦点与工件之间的距离；最后，在控制系统的控制下，激光束在待切割工件的表面进行扫描，完成激光切割。
[0036] 为避免工件在进行激光切割、激光裂片及激光钻孔的过程中发生晃动，参见图1，本发明所涉及的超快激光微纳切割钻孔设备还包括用于对放置在切割平台4上的工件进行固定的第一夹紧装置50和用于对放置在裂片钻孔平台7上的工件进行固定的第二夹紧装置60，第一夹紧装置50可移动地设置在切割平台4的上方，第二夹紧装置60可移动地设置在裂片钻孔平台7的上方。本实施例中，当工件被放置在工作台(切割平台、裂片钻孔平台)上后，在对其进行加工之前，先由控制系统控制第一夹紧装置50或第二夹紧装置60移动至工作台的正上方，并根据工件的位置调整第一夹紧装置50或第二夹紧装置60的位置，以使得第一夹紧装置50能够夹持在工件表面，从而使得工件能够稳定放置在工作台的预设位置上。至于第一夹紧装置50及第二夹紧装置60的具体结构，在此不作限制，只要其能够实现固定工件以避免在加工过程中发生晃动即可。
[0037] 为进一步提高生产效率，减少人力成本，本发明所涉及的超快激光微纳切割钻孔设备还包括自动上下料装置，自动上下料装置包括上料平台、用于将上料平台70上的工件转移至切割平台4上的第一机械手、下料平台80以及用于将裂片钻孔平台7上的成品转移至所述下料平台80上的第二机械手。在本实施例中，通过第一机械手和第二机械手替代人工上料，第一机械手和第二机械手可具有多个
自由度，具体可根据实际需要进行设置，在此不作限制。为进一步提高机械手的运动精度，可采用
伺服电机作为第一机械手和第二机械手的动力源。
[0038] 基于上述提出的超快激光微纳切割钻孔设备，参见图6，本发明还提出一种超快激光微纳切割钻孔方法，该超快激光微纳切割钻孔方法包括：
[0039] 步骤S10，将待加工工件搬运至切割平台上；
[0040] 步骤S20，启动超快激光器和连续激光器，对超快激光器和连续激光器发出的两束激光分别进行扩束准直，并对经扩束准直后的激光的传输方向进行调整；
[0041] 步骤S30，通过激光切割头将接收到的两束激光分别照射在工件的表面，并通过扫描的方式对工件进行切割；
[0042] 步骤S40，将切割完成后的工件搬运至裂片钻孔平台上；
[0043] 步骤S50，启动气体激光器，将气体激光器产生的激光束输入至裂片钻孔头；
[0044] 步骤S60，通过裂片钻孔头将接收到的激光束照射在工件表面，并通过扫描的方式对工件进行裂片、钻孔；
[0045] 步骤S70，将裂片钻孔平台上的成品搬运至下料平台上。
[0046] 在进行加工之前，先通过人工或机械手将待加工工件从上料平台搬运至切割平台上；而后，启动超快激光器和连续激光器，并通过光束整形单元对超快激光器和连续激光器产生的激光束进行扩束、准直及传输方向的调整；整形后的激光束经被传输至激光切割头内，激光切割头则将接收到的两束激光分别照射在工件的表面，并由控制系统控制激光切割头按照预设的运动轨迹、以扫描的方式对工件进行切割。
[0047] 切割完成后，再次通过人工或机械手将工件搬运至裂片钻孔平台上，而后，启动气体激光器，并将气体激光器产生的激光束输入至裂片钻孔头内；然后，再通过裂片钻孔头将接收到的激光束照射在工件表面，也由控制系统控制并以扫面的方式对工件进行裂片、钻孔；最后，将裂片钻孔平台上的成品搬运至下料平台上，从而完成对工件的高深径比的孔的加工。
[0048] 采用超快双光束激光旋切加工气膜孔，获得了无裂纹、无附着残渣及无重铸层的锥孔，调整超快激光旋切加工中离焦量和光楔的相对偏转
角对孔直径的影响，以及激光离焦量对微孔锥度的影响。
[0049] 由于超快激光微纳切割钻孔方法是基于超快激光微纳切割钻孔设备提出的，因此，在超快激光微纳切割钻孔设备中所涉及的平顶整形、分束聚焦、光栅尺反馈、真空吸附、视觉检测、工件固定及自动上下料等技术方案，同样适用于超快激光微纳切割钻孔方法，具体的技术方案在前文中已有记载，故在此不再赘述。
[0050] 以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。
