激光加工系统及方法与流程

1.本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工系统及方法。


背景技术：

2.随着电子电路、航空航天等技术领域的快速发展，相关零部件加工结构特征逐渐呈小型化、高密度集成化、大幅面化等趋势。激光加工由于具有无热效应、无应力、柔性度高等优点，已逐渐成为相关技术领域的关键制造技术。
3.目前市面上相关技术领域常用的激光加工设备通常以振镜扫描方式进行刻蚀、钻孔、切割等加工。这类设备的加工幅面一般相对较大(典型值约40mm*40mm)，属于宏扫描加工系统，对于加工范围内的中大尺寸型图形结构有较优的加工效果，不仅加工精度高(微米级)，而且加工速度快(典型值约1000mm/s)。
4.但由于振镜机构的镜片运动时的惯性影响以及驱动电机控制性能等方面因素的制约，使之难以满足几十微米及以下尺寸型微小图形结构的加工或在保证一定尺寸微小图形结构加工外观及效果质量的条件下具备较高加工效率的需求。
5.以微群孔加工为例，目前高集成度的fpc上一小块面积(如10*10mm2)有上千至上万个几十微米直径的微孔，采用普通扫描头加工方式加工这些微孔(如孔径为50μm)时，当加工速度超过200mm/s时，微孔将会发生严重变形。故为保证较优的加工质量，必须使用较低的扫描速度进行微孔加工，显然，这极大地限制了微群孔加工效率。
6.对此，中国发明专利cn100353205c提出了一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置，采用声光偏转器(aod)控制入射激光1级衍射光的偏转角，实现小幅面内激光束的高速扫描运动。由于声光偏转器具有无机械运动、不受重力惯性影响的特点，可精准加工几十微米及以下尺寸型微小图形结构，不仅外观效果好，而且加工速度极快，其理论运动速度可达1000mm/s以上，相对普通振镜加工方式可提升约5倍以上的50μm及以下微小图形结构加工效率。但这种基于二维声光偏转器的激光扫描装置的加工幅面极小(典型偏转角约
±
2.2mrad)，难以满足电子电路、航空航天等技术领域日趋大幅面化、高密度集成化零部件结构特征加工需求。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种加工幅面大、微结构加工能力强且整体加工效率高的激光加工系统及方法。
8.为了实现上述目的，本发明公开了一种激光加工系统，其包括光源发射系统、光束微扫描系统和光束宏扫描系统，所述光源发射系统设置于所述光束微扫描系统的输入端，所述光束宏扫描系统设置于所述光束微扫描系统的输出端；
9.所述光源发射系统用于发射激光束；
10.所述光束微扫描系统，包括微扫描偏转单元和微扫描控制单元，所述微扫描偏转单元基于电光或声光偏转器形成激光通道，所述微扫描控制单元用于控制所述微扫描偏转
单元动作，以使得所述微扫描偏转单元输出的激光束按照预设图形轨迹扫描；
11.所述光束宏扫描系统，包括宏扫描偏转单元和宏扫描控制单元，所述宏扫描偏转单元基于振镜形成激光通道，所述宏扫描控制单元用于控制所述宏扫描偏转单元动作，以使得所述宏扫描偏转单元输出的激光束跳转至下一目标加工点，或使得所述宏扫描偏转单元输出的激光束按照预设图形轨迹扫描；
12.所述宏扫描控制单元与所述微扫描控制单元和所述光源发射系统通信连接。
13.较佳地，所述光源发射系统包括激光发射器、第一变倍扩束器以及第一光束偏振器；所述第一光束偏振器，设置于所述激光发射器的输出端，用于旋转激光束的偏振态，以获得特定方向偏振的激光束；
14.所述第一变倍扩束器设置于所述第一光束偏振器的输出端，用于放大或缩小所述激光发射器输出的激光束的光斑直径。
15.较佳地，所述第一变倍扩束器的扩束倍数为b1，0.45≤b1≤6，所述第一光束偏振器为二分之一波片。
16.较佳地，所述微扫描偏转单元包括x向光束偏转器、y向光束偏转器以及设置于所述x向光束偏转器和所述y向光束偏转器之间的第二光束偏振器；所述x向光束偏转器用于控制激光束沿x向以微弧度往复摆动；所述y向光束偏转器用于控制激光束沿y向以微弧度往复摆动；所述第二光束偏振器用于旋转所述x向光束偏转器输出的激光束的偏振态。
17.较佳地，所述x向光束偏转器输入端的激光束的偏振态与所述y向光束偏转器输入端的激光束的偏振态正交，所述x向光束偏转器和所述y向光束偏转器构成声光偏转器。
18.较佳地，所述光束微扫描系统还包括设置于所述微扫描偏转单元输出端和所述宏扫描偏转单元输入端之间的筛选单元，所述筛选单元用于筛选出所述微扫描偏转单元输出的激光束中功率相对最高的一束。
19.较佳地，所述筛选单元包括第一透镜、光束筛选器、第二透镜、第二变倍扩束器；所述第一透镜设于所述微扫描偏转单元的输出端，所述光束筛选器设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述第二透镜设于所述光束筛选器与所述第二变倍扩束器之间，所述第二变倍扩束器设于所述光束宏扫描系统输入端；所述第一透镜用于将所述微扫描偏转单元输出的各级衍射光处理为预设间距的多束平行光；所述光束筛选器用于从多束平行光中筛选出功率相对最高的一束并使其通过；所述第二透镜用于将所述光束筛选器输出的所述平行光聚焦于所述第二变倍扩束器的输入端；所述第二变倍扩束器用于放大所述光束筛选器输出的平行光光束的光斑直径。
20.较佳地，所述光束筛选器为可变光阑，所述第二变倍扩束器的扩束倍数为b2，2≤b2≤8。
21.本发明还公开一种激光加工方法，布置如上所述的激光加工系统，该激光加工方法包括：
22.将工件固定放置在所述宏扫描偏转单元的输出端；
23.当工件上的待加工点区域直径大于预设阈值时，所述微扫描控制单元控制所述微扫描偏转单元停止动作，同时，所述宏扫描控制单元控制所述宏扫描偏转单元动作，以控制所述宏扫描偏转单元输出的激光束沿预设的图形轨迹对工件进行扫描切割；
24.当工件上的待加工点区域直径小于或等于预设阈值时，首先，所述微扫描控制单
元控制所述微扫描偏转单元停止动作，所述宏扫描控制单元控制所述宏扫描偏转单元动作，以将当前宏扫描偏转单元输出的激光束跳转至工件上的目标加工点；然后，所述微扫描控制单元控制所述微扫描偏转单元动作，以控制所述微扫描偏转单元输出的激光束沿预设的图形轨迹对工件进行扫描切割。
25.较佳地，当工件上的待加工点区域直径小于或等于预设阈值时，且当所述宏扫描控制单元控制所述宏扫描偏转单元动作时，调低或关闭所述光源发射系统发出的激光束的功率。
26.与现有技术相比，本发明上述激光加工系统图中设置有光束微扫描系统和光束宏扫描系统，其中，光束微扫描系统基于电光或声光偏转器形成激光通道，光束宏扫描系统基于振镜形成激光通道，这样，当进行微型结构加工时，通过宏扫描系统将激光束快速定位至每一目标加工点，然后通过微扫描系统进行高精度快速加工；由此可知，上述方案充分融合了宏扫描系统加工幅面大、定位速度快与微扫描系统对微结构加工能力强且加工速度极快的特点，从而有效满足高密度集成化零部件的大幅面、微型化和快速化的加工需求。
附图说明
27.图1为本发明实施例中激光加工系统的原理结构图。
28.图2为图1中光源发射系统的原理结构图。
29.图3为图1中微扫描偏转单元的原理结构图。
30.图4为图1中筛选单元的原理结构图。
31.图5为本发明实施例中其中一工件上的待加工点分布图。
具体实施方式
32.为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
33.如图1，本实施例公开了一种激光加工系统，其包括光源发射系统1、光速微扫描系统2和光速宏扫描系统3，光源发射系统1设置于光速微扫描系统2的输入端，光速宏扫描系统3设置于光速微扫描系统2的输出端。光源发射系统1用于发射激光束。
34.对于光速微扫描系统2，其包括微扫描偏转单元20和微扫描控制单元21，微扫描偏转单元20基于电光或声光偏转器形成激光通道，微扫描控制单元21用于控制微扫描偏转单元20动作，以使得微扫描偏转单元20输出的激光束按照预设图形轨迹扫描。
35.对于光速宏扫描系统3，其包括宏扫描偏转单元30和宏扫描控制单元31，宏扫描偏转单元30基于振镜形成激光通道，宏扫描控制单元31用于控制宏扫描偏转单元30动作，以使得宏扫描偏转单元30输出的激光束跳转至下一目标加工点，或使得宏扫描偏转单元30输出的激光束按照预设图形轨迹扫描。
36.宏扫描控制单元31与微扫描控制单元21和光源发射系统1通信连接，以使得宏扫描控制单元31与微扫描控制单元21和光源发射系统1的动作彼此连动，互相协调。具体地，可通过一控制器与宏扫描控制单元31、微扫描控制单元21、光源发射系统1建立通信连接，也可直接通过通信线路在宏扫描控制单元31和微扫描控制单元21、光源发射系统1之间建立通信连接。
37.在本实施例中，上述激光加工系统的工作方式为：
38.首先，将工件固定放置在宏扫描偏转单元30的输出端。具体地，可通过吸附机构将工件吸附在治具上。
39.然后，当工件上的待加工点区域直径大于预设阈值时，例如，加工对象为在工件上蚀刻直径为50μm以上的圆孔。在这种情况下，由于加工尺寸相对比较大，因此仅使用宏扫描系统即可，即微扫描控制单元21控制微扫描偏转单元20停止动作，同时，宏扫描控制单元31控制宏扫描偏转单元30动作，以控制宏扫描偏转单元30输出的激光束沿预设的图形轨迹对工件进行扫描切割。在本实施例中，由于微扫描控制单元21控制微扫描偏转单元20停止动作，那么微扫描偏转单元20仅相当于一激光通道，通过微扫描偏转单元20的激光束沿固定轨迹输出，宏扫描偏转单元30输出的激光束，在宏扫描控制单元31的控制下，在工件上的各个目标加工点沿图形轨迹运动，以实现扫描切割。
40.当工件上的待加工点区域直径小于或等于预设阈值时，例如，加工对象为在工件上蚀刻直径为50μm以下的圆孔。在此种情况下，首先，微扫描控制单元21控制微扫描偏转单元20停止动作，宏扫描控制单元31控制宏扫描偏转单元30动作，以将当前宏扫描偏转单元30输出的激光束跳转至工件上的目标加工点。然后，宏扫描控制单元31控制宏扫描偏转单元30停止动作，同时，微扫描控制单元21控制微扫描偏转单元20动作，以控制微扫描偏转单元20输出的激光束沿预设的图形(微图形)轨迹对工件进行扫描切割，此时，由于宏扫描偏转单元30停止动作，宏扫描偏转单元30仅相当于一激光通道，不对激光做偏转处理。
41.如图5，需要在工件上切割出四个直径在50μm以下的圆孔，分别为c1、c2、c3、c4。开始时，宏扫描控制单元31控制宏扫描偏转单元30动作，将输出的激光点对准c1中心的十字中心处，然后宏扫描偏转单元30停止动作，微扫描偏转单元20动作，控制激光束沿c1移动，以完成第一个孔位的扫描切割。然后，微扫描偏转单元20停止动作，宏扫描偏转单元30再次动作，将当前激光点跳转至c2中心的十字中心处，接着，宏扫描偏转单元30停止动作，微扫描偏转单元20动作，控制激光束沿c2移动，以完成第二个孔位的扫描切割。以此，完成c3和c4孔位的扫描切割。
42.在上述实施例中，光速微扫描系统2基于电光或声光偏转器形成激光通道，光速宏扫描系统3基于振镜形成激光通道，这样，当进行微型结构加工时，通过宏扫描系统将激光束快速定位至每一目标加工点，然后通过微扫描系统进行高精度快速加工。也即，本实施例充分融合了宏扫描系统加工幅面大、定位速度快与微扫描系统对微结构加工能力强且加工速度极快的特点，从而有效满足高密度集成化零部件的大幅面、微型化和快速化的加工需求。
43.进一步地，当工件上的待加工点区域直径小于或等于预设阈值时，且当宏扫描控制单元31控制宏扫描偏转单元30动作时，由于此时宏扫描偏转单元30输出的激光束仅用于跳转定位用，并未进行扫描切割，因此，调低或关闭光源发射系统1发出的激光束的功率，可有效节约能耗，并避免在加工件上的非切割位置出现切割痕迹。
44.如图2，光源发射系统1包括激光发射器10、第一变倍扩束器12以及第一光束偏振器11。激光发射器10为激光发射源。第一光束偏振器11设置于激光发射器10的输出端，用于旋转激光束的偏振态，以获得特定方向偏振的激光束。第一变倍扩束器12设置于第一光束偏振器11的输出端，用于放大或缩小激光发射器10输出的激光束的光斑直径。具体地，第一
变倍扩束器12的扩束倍数为b1，0.45≤b1≤6，第一光束偏振器11为二分之一波片。
45.如图3，微扫描偏转单元20包括x向光束偏转器200、y向光束偏转器202以及设置于x向光束偏转器200和y向光束偏转器202之间的第二光束偏振器201。x向光束偏转器200用于控制激光束沿x向以微弧度往复摆动，y向光束偏转器202用于控制激光束沿y向以微弧度往复摆动。第二光束偏振器201用于旋转x向光束偏转器200输出的激光束的偏振态。本实施例中，微扫描偏转单元20包括x向光束偏转器200和y向光束偏转器202，以构成二维偏振器。具体地，x向光束偏转器200输入端的激光束的偏振态与y向光束偏转器202输入端的激光束的偏振态正交，x向光束偏转器200和y向光束偏转器202构成声光偏转器。
46.进一步地，如图1，光速微扫描系统2还包括设置于微扫描偏转单元20输出端和宏扫描偏转单元30输入端之间的筛选单元22，筛选单元22用于筛选出微扫描偏转单元20输出的激光束中功率相对最高的一束。具体地，如图4，筛选单元22包括第一透镜220、光束筛选器221、第二透镜222、第二变倍扩束器223。
47.第一透镜220设于微扫描偏转单元20的输出端，光束筛选器221设置于第一透镜220和第二透镜222之间，第二透镜222设于光束筛选器221与第二变倍扩束器223之间，第二变倍扩束器223设于光速宏扫描系统3输入端。
48.第一透镜220用于将微扫描偏转单元20输出的各级衍射光处理为预设间距的多束平行光。光束筛选器221用于从多束平行光中筛选出功率相对最高的一束并使其通过。第二透镜222用于将光束筛选器221输出的平行光聚焦于第二变倍扩束器223的输入端。第二变倍扩束器223用于放大光束筛选器221输出的平行光光束的光斑直径。本实施例中，第一透镜220为平面凸透镜，面向微扫描偏转单元20输出端的一侧为凸面，另一侧为平面。第二透镜222为平面凸透镜，面向光束筛选器221输出端的一侧为平面，另一侧为凸面。本实施例中的光束筛选器221为可变光阑，第二变倍扩束器223的扩束倍数为b2，2≤b2≤8。
49.以上所述实施例仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种激光加工系统，其特征在于，包括光源发射系统、光束微扫描系统和光束宏扫描系统，所述光源发射系统设置于所述光束微扫描系统的输入端，所述光束宏扫描系统设置于所述光束微扫描系统的输出端；所述光源发射系统用于发射激光束；所述光束微扫描系统，包括微扫描偏转单元和微扫描控制单元，所述微扫描偏转单元基于电光或声光偏转器形成激光通道，所述微扫描控制单元用于控制所述微扫描偏转单元动作，以使得所述微扫描偏转单元输出的激光束按照预设图形轨迹扫描；所述光束宏扫描系统，包括宏扫描偏转单元和宏扫描控制单元，所述宏扫描偏转单元基于振镜形成激光通道，所述宏扫描控制单元用于控制所述宏扫描偏转单元动作，以使得所述宏扫描偏转单元输出的激光束跳转至下一目标加工点，或使得所述宏扫描偏转单元输出的激光束按照预设图形轨迹扫描；所述宏扫描控制单元与所述微扫描控制单元和所述光源发射系统通信连接。2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述光源发射系统包括激光发射器、第一变倍扩束器以及第一光束偏振器；所述第一光束偏振器，设置于所述激光发射器的输出端，用于旋转激光束的偏振态，以获得特定方向偏振的激光束；所述第一变倍扩束器设置于所述第一光束偏振器的输出端，用于放大或缩小所述激光发射器输出的激光束的光斑直径。3.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于，所述第一变倍扩束器的扩束倍数为b1，0.45≤b1≤6，所述第一光束偏振器为二分之一波片。4.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述微扫描偏转单元包括x向光束偏转器、y向光束偏转器以及设置于所述x向光束偏转器和所述y向光束偏转器之间的第二光束偏振器；所述x向光束偏转器用于控制激光束沿x向以微弧度往复摆动；所述y向光束偏转器用于控制激光束沿y向以微弧度往复摆动；所述第二光束偏振器用于旋转所述x向光束偏转器输出的激光束的偏振态。5.根据权利要求4所述的激光加工系统，其特征在于，所述x向光束偏转器输入端的激光束的偏振态与所述y向光束偏转器输入端的激光束的偏振态正交，所述x向光束偏转器和所述y向光束偏转器构成声光偏转器。6.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述光束微扫描系统还包括设置于所述微扫描偏转单元输出端和所述宏扫描偏转单元输入端之间的筛选单元，所述筛选单元用于筛选出所述微扫描偏转单元输出的激光束中功率相对最高的一束。7.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于，所述筛选单元包括第一透镜、光束筛选器、第二透镜、第二变倍扩束器；所述第一透镜设于所述微扫描偏转单元的输出端，所述光束筛选器设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述第二透镜设于所述光束筛选器与所述第二变倍扩束器之间，所述第二变倍扩束器设于所述光束宏扫描系统输入端；所述第一透镜用于将所述微扫描偏转单元输出的各级衍射光处理为预设间距的多束平行光；所述光束筛选器用于从多束平行光中筛选出功率相对最高的一束并使其通过；所述第二透镜用于将所述光束筛选器输出的所述平行光聚焦于所述第二变倍扩束器的输入端；所述第二变倍扩束器用于放大所述光束筛选器输出的平行光光束的光斑直径。8.根据权利要求7所述的激光加工系统，其特征在于，所述光束筛选器为可变光阑，所
述第二变倍扩束器的扩束倍数为b2，2≤b2≤8。9.一种激光加工方法，其特征在于，布置如权利要求1至8任一项所述的激光加工系统，该激光加工方法包括：将工件固定放置在所述宏扫描偏转单元的输出端；当工件上的待加工点区域直径大于预设阈值时，所述微扫描控制单元控制所述微扫描偏转单元停止动作，同时，所述宏扫描控制单元控制所述宏扫描偏转单元动作，以控制所述宏扫描偏转单元输出的激光束沿预设的图形轨迹对工件进行扫描切割；当工件上的待加工点区域直径小于或等于预设阈值时，首先，所述微扫描控制单元控制所述微扫描偏转单元停止动作，所述宏扫描控制单元控制所述宏扫描偏转单元动作，以将当前宏扫描偏转单元输出的激光束跳转至工件上的目标加工点；然后，所述微扫描控制单元控制所述微扫描偏转单元动作，以控制所述微扫描偏转单元输出的激光束沿预设的图形轨迹对工件进行扫描切割。10.根据权利要求9所述的激光加工方法，其特征在于，当工件上的待加工点区域直径小于或等于预设阈值时，且当所述宏扫描控制单元控制所述宏扫描偏转单元动作时，调低或关闭所述光源发射系统发出的激光束的功率。

技术总结
本发明公开了一种激光加工系统及方法，其中该系统包括依次连接的光源发射系统、光束微扫描系统和光束宏扫描系统；光束微扫描系统包括微扫描偏转单元和微扫描控制单元，微扫描偏转单元基于电光或声光偏转器形成激光通道，微扫描控制单元用于控制微扫描偏转单元动作；光束宏扫描系统包括宏扫描偏转单元和宏扫描控制单元，宏扫描偏转单元基于振镜形成激光通道，宏扫描控制单元用于控制宏扫描偏转单元动作，以使得宏扫描偏转单元输出的激光束跳转至下一目标加工点；上述系统充分融合了宏扫描系统加工幅面大、定位速度快与微扫描系统对微结构加工能力强且加工速度极快的特点，从而有效满足高密度集成化零部件的大幅面、微型化和快速化的加工需求。速化的加工需求。速化的加工需求。


技术研发人员：袁伟涛 薛建雄 甘明辉 林小波 杨小君 朱建海
受保护的技术使用者：广东中科微精光子制造科技有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/20