雷射打孔裝置的製作方法
2023-05-28 02:19:52
本發明總體來說涉及一種雷射打孔技術，具體而言，涉及一種的雷射打孔裝置。
背景技術：
雷射鑽孔是雷射最常見的一種材料加工方式，常用的雷射鑽孔有衝擊鑽孔和旋轉切孔兩種方式。
衝擊鑽孔是一個或者多個雷射脈衝作用在同一個位置，通過重複衝擊進行鑽孔。衝擊鑽孔的方式會造成雷射能量分布不均勻，光斑中間能量更強，邊緣能量降低，從而孔的邊緣質量較差，造成圓度不圓，錐度較大；而且由於前一次鑽孔形成的等離子體噴射物，對下一個雷射脈衝的能量傳遞有屏蔽和阻礙的作用。除此，這種衝擊鑽孔的方式使孔徑的大小以及錐度問題難以控制。由於脈衝雷射的不穩定性，容易灼燒過度，在孔的周圍形成微裂紋，影響封墊的使用。
現有的雷射鑽孔通常只能夠得到直徑為200μm的孔，已經不能滿足現有的市場需求。
在所述背景技術部分公開的上述信息僅用於加強對本發明的背景的理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。
技術實現要素：
本發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
本發明的一個主要目的在於克服上述現有技術的至少一種缺陷，提供一種雷射打孔裝置，以獲得具有較小尺寸的通孔。
為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案：
根據本發明的一個方面，提供了一種雷射打孔裝置，所述雷射打孔裝置包括工件支撐裝置、雷射發生器以及聚焦裝置，所述工件支撐裝置用於支撐待打孔工件；所述雷射發生器用於產生雷射束，所述雷射束的頻率為1kHZ，所述雷射束的佔空比為2％-8％；所述聚焦裝置設置於所述工件支撐裝置和所述雷射發生器之間的打孔光路上，用於對所述雷射束進行聚焦，所述雷射束經過所述打孔光路後照射到所述工件上。
根據本發明的一實施方式，其中所述聚焦裝置還包括擴束器和物鏡，所述擴束器設置於所述工件支撐裝置和所述雷射發生器之間；所述物鏡設置於所述擴束器和所述工件支撐裝置之間，所述物鏡的焦距為10mm，所述物鏡的工作距離為20mm；由所述雷射發生器發出的所述雷射束能夠依次經過所述擴束器和所述物鏡照射到所述工件上。
根據本發明的一實施方式，其中所述雷射打孔裝置還包括校準光路，所述校準光路包括校準光源和設置於所述校準光路上的相互平行的兩個二色鏡，以使得由所述校準光源發出的校準光束依次經過所述二色鏡後照射到所述工件的預切割位置。
根據本發明的一實施方式，其中所述雷射打孔裝置還包括照明光路，所述照明光路包括照明光源和設置於所述照明光路上的相互平行的兩個二色鏡，以使得由所述照明光源發出的照明光束依次經過所述二色鏡後照射到所述工件上。
根據本發明的一實施方式，其中所述工件支撐裝置包括可調節支撐臺、旋轉裝置以及工件支撐臺，所述可調節支撐臺具有第一工作面；所述旋轉裝置固定設置於所述第一工作面上，所述可調節支撐臺用於調節所述旋轉裝置的位置；所述工件支撐臺可移動地設置於所述旋轉裝置上，以用於調節所述工件的切割位置。
根據本發明的一實施方式，其中所述雷射打孔裝置還包括第一導軌，所述第一導軌固定設置於所述旋轉裝置上，所述工件支撐臺能夠沿所述第一導軌在所述旋轉裝置上移動；或者所述雷射打孔裝置還包括第一二維平移臺，所述第一二維平移臺固定連接於所述旋轉裝置和所述工件支撐臺之間，以使得所述工件支撐臺能夠在所述旋轉裝置上移動。
根據本發明的一實施方式，其中所述可調節支撐臺包括升降裝置和連接件，所述升降裝置具有第一表面；所述連接件可移動地設置於所述第一表面上，所述連接件包括相互成角度的所述第一工作面和第二工作面，所述第二工作面可滑動地設置於所述第一表面，所述第一工作面用於與所述旋轉裝置連接。
根據本發明的一實施方式，其中所述可調節支撐臺還包括第二導軌，所述第二導軌固定設置於所述第一表面上，所述連接件能夠沿所述第二導軌在所述升降裝置上移動。
根據本發明的一實施方式，其中所述可調節支撐臺還包括第二二維平移臺，所述第二二維平移臺固定設置於所述第一表面上，所述連接件固定設置於所述第二二維平移臺上以隨所述第二二維平移臺在所述第一表面上移動。
根據本發明的一實施方式，其中所述第一工作面和所述第二工作面相互垂直。
由上述技術方案可知，本發明的雷射打孔裝置的優點和積極效果在於：通過調節雷射發生器可以獲得頻率為1KHZ，佔空比為2％-8％的雷射束，一方面，該雷射束具有的能量能夠穿透工件，另一方面，由於該雷射束的能量相對較低，因此可以使落到工件上的光斑具有較小的尺寸，從而使利用該雷射束切割出的通孔比較光滑，避免出現微裂紋，提高了雷射打孔的工件的質量。
附圖說明
通過結合附圖考慮以下對本發明的優選實施例的詳細說明，本發明的各種目標、特徵和優點將變得更加顯而易見。附圖僅為本發明的示範性圖解，並非一定是按比例繪製。在附圖中，同樣的附圖標記始終表示相同或類似的部件。其中：
圖1是根據一示例性實施方式示出的一種金剛石對頂砧的結構圖。
圖2是根據一示例性實施方式示出的一種打孔光路的光路圖。
圖3是根據一示例性實施方式示出的一種工件支撐裝置的結構圖。
圖4是頻率相同、佔空比不同的雷射對同一物質打孔的痕跡圖。
圖5是頻率不同、佔空比相同的雷射對同一物質打孔的痕跡圖。
其中，附圖標記說明如下：
1、封墊； 2、校準光源；
3、二色鏡； 4、照明光源；
5、擴束器； 6、物鏡；
7、第一鍍銀反射鏡； 8、工件支撐臺；
9、第一二維平移臺； 10、旋轉裝置；
11、升降裝置； 12、連接件；
13、第二二維平移臺； 14、驅動裝置；
15、第二鍍銀反射鏡； 16、攝像頭；
17、雷射發生器； 18、工件。
具體實施方式
現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明將全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
佔空比是指高電平在一個周期之內所佔的時間比率。也就是說佔空比＝頻率×脈衝寬度。當頻率不變時，欲想提高佔空比，可以提高脈衝寬度。雷射打孔實驗中發現，當頻率固定時，佔空比越大，打出的單個孔徑越大。為了能夠更清楚地說明本發明，現僅選擇一組簡單的數據以對本發明的雷射束的選擇過程進行說明。如圖4所示，在雷射頻率固定在10KHz時，佔空比從左至右分別為100％、50％、15％、5％、1％。圖4中可以顯示，佔空比為100％和50％的時候，燒蝕的痕跡較佔空比為5％和1％的情況嚴重。
同樣為了更好地說明本發明，現僅選擇一組簡單的數據以對本發明的雷射束的選擇過程進行說明。我們把佔空比暫時固定在3％，調製雷射的頻率。如圖5，從左至右雷射頻率分別為1Hz、10Hz、100Hz、500Hz、1000Hz和10kHz。從圖5中可以看出，孔徑的大小隨著雷射頻率的增加而減小。並且在1Hz、10Hz、100Hz時有較嚴重的燒蝕痕跡。
如此，通過大量的試驗數據，得到了佔空比為2％-8％，頻率為1kHZ的雷射束，打孔後的質量較高，且能夠減少微裂紋和再鑄層，同時又兼顧打孔的速度和深度。
圖1是根據一示例性實施方式示出的一種金剛石對頂砧的結構圖。
如圖1所示，例如但不限於，在高壓衍射實驗中，通常需要在金屬片上打出一個圓孔，這個金屬片稱作封墊1。可以做封墊1的材料很多，通常實驗用到的封墊1有銅，T301鋼，錸，非晶等。封墊1在實驗中要承受壓力導致的形變，因此為了增加其強度，在使用前通常要預壓到一定的厚度，然後在預壓的凹坑的中心上鑽孔，復位後進行使用。加工樣品腔的打孔方式包括機械鑽孔，雷射和電火花打孔。
本發明的一個具體實施方式，雷射發生器17打出的雷射束的頻率可以為1kHZ，雷射束的佔空比為2％-8％，該雷射束具有的能量能夠穿透工件18，並且由於該雷射束的能量相對較低，因此可以使落到工件18上的光斑具有較小的尺寸，從而使利用該雷射束切割出的通孔比較光滑，避免出現微裂紋，提高了雷射打孔的工件18的質量。本發明一具體實施方式，雷射發生器17的工作方式可以為被動Q-switched，雷射發生器17的平均功率可以為大於500mW，雷射發生器17的重複頻率TTL可以為1-10HZ。本發明的一具體實施方式，雷射束的單脈衝能量可以為大於20μJ，雷射束的脈寬可以為10ns，雷射束的峰值功率可以為大於3KW。本發明的一具體實施方式的雷射束的頻率為1kHZ，雷射束的佔空比可以為2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％，如此可以實現雷射打孔，並且形成的通孔的周圍比較光滑，質量較高。本發明的一具體實施方式，雷射束的波長可以為1064nm。
繼續參照圖2，本發明一具體實施方式，雷射打孔裝置還可以包括聚焦裝置，該聚焦裝置用於對雷射束進行聚焦，以使照射到工件上的雷射束的能量更加集中。該聚焦裝置可以設置於工件支撐裝置1和雷射發生器17之間的打孔光路上，雷射束可以在經過打孔光路後再照射到工件18上。
繼續參照圖2，本發明的一具體實施方式，其中聚焦裝置可以包括擴束器5和物鏡6，擴束器5可以設置於工件支撐裝置11和雷射發生器17之間，擴束器5可以的擴束倍率可以為2-6倍。物鏡6可以設置於擴束器5和工件支撐裝置1之間。物鏡6的焦距可以為10mm，物鏡6的工作距離可以為20mm，由雷射發生器17發出的雷射束能夠依次經過擴束器5和物鏡6照射到工件上。本發明的一具體實施方式，物鏡6的解析度可以為0.6μm，焦深可以為±1.4μm，瞳徑可以為9mm。
本發明一具體實施方式，進入擴束器5前的雷射束的直徑可以為2mm，經過擴束器5後的雷射束的直徑可以為9mm(可以為物鏡6聚焦前光斑直徑)，經物鏡6聚焦後的雷射束的直徑可以為0.38μm。
在聚焦光路中，雷射束的發散角經過物鏡6聚焦後改變，其值為：
ω＝λf/πD
λ是入射雷射束波長，f是物鏡焦距，D為聚焦前光斑直徑大小。
從上式可以看出，若想得到小的聚焦光斑，可以採用短焦距的物鏡6或者增大雷射束在物鏡6入口處的光斑直徑，即增大雷射束聚焦前的雷射束直徑。我們可以採用擴束器5來使入口處光斑直徑增大，例如但不限於可以對雷射束擴束，以使雷射束光斑恰好充滿物鏡6口徑(D＝9mm)，即聚焦前的雷射束直徑可以與物鏡6直徑相同，從而可以避免雷射束的能量浪費。本發明一具體實施方式，雷射束擴束前的光斑直徑為2mm，經擴束後的光斑直徑可以為9mm，則擴束的倍數為4.5倍。
經過擴束器5擴束和物鏡6聚焦後(物鏡焦距為10mm)，雷射束光斑直徑大小為
ω＝λf/πD＝1064nm×10mm/(3.14×9mm)＝0.38um
本發明一種具體實施方式，工件上形成的通孔的直徑可以為30-200μm。
參照圖2，本發明的一實施方式，其中雷射打孔裝置還可以包括校準光路，校準光路包括校準光源2和設置於校準光路上的相互平行的兩個二色鏡3，以使得由校準光源2發出的校準光束依次經過二色鏡3後照射到工件的預切割位置。本發明一實施方式，雷射發生器17發出的雷射束可以為不可見光，例如但不限於不可見紅外光，直接用該雷射束對工件進行切割，不容易確定切割位置，容易造成工件損壞，從而造成不必要的浪費。本發明的一具體實施方式，校準光路上可以設置有兩個相互平行的二色鏡3，二色鏡3可以設置為由校準光源2發出的校準光束可以部分透過該二色鏡3，另外一部分校準光束可以經該二色鏡3反射。本發明一種具體實施方式提供的校準光束可以為可見光束，例如但不限於校準光束的波長可以為512nm。
本發明的一具體實施方式，校準光源2發出的校準光束可以依次經過一個二色鏡3、擴束器5、另一個二色鏡3、物鏡6後照射到工件上，通過調整校準光路上的各個部件以及校準光源2與工件的相對位置，可以使校準光束照射到工件的預定位置上。本發明的一具體實施方式，可以在校準光源2發出的校準光束照射到工件的預定位置後，將校準光源2取下，更換上雷射發生器，開啟雷射發生器的情況下，便可以對工件進行切割。本發明的另一具體實施方式，雷射發生器可以不設置在校準光源2的位置上，例如但不限於雷射發生器可以設置為由雷射發生器發出的雷射束經過第一鍍銀反射鏡7反射到校準光路上的二色鏡3上，在本實施例中可以調節雷射發生器的位置，直至校準光路上的兩個二色鏡3均出現雷射束，則代表雷射束可以照射到上述校準光線照射的預定位置上。
繼續參照圖2，本發明的一實施方式，其中雷射打孔裝置還包括照明光路，照明光路可以用於提供亮環境，以觀察雷射打孔或雷射校準的過程。該照明光路可以包括照明光源4和設置於照明光路上的相互平行的兩個二色鏡3，以使得由照明光源4發出的照明光束依次經過二色鏡3後照射到工件上。照明光束經過二色鏡3反射後可以進入物鏡6，經物鏡6聚焦後可以打到工件上，例如但不限於該工件可以為封墊。打在工件上的照明光束可以經過物鏡6、二色鏡3以及第二鍍銀反射鏡15以及物鏡6的聚焦後進入攝像頭16，例如但不限於CCD攝像頭。
參照圖3，本發明的一個具體實施方式，提供了一種雷射打孔裝置，雷射打孔裝置可以包括工件支撐裝置1，工件支撐裝置1可以用於支撐待打孔工件，該工件支撐裝置1可以設置為能夠調節待打孔工件的位置，以使待打孔工件相對雷射束移動，以切割出想要的圖案，例如但不限於矩形、三角形、六邊形等圖案，本發明一具體實施方式，在待打孔工件上切割出圓形通孔。
繼續參照圖3，本發明的一實施方式，其中工件支撐裝置可以包括可調節支撐臺、旋轉裝置10以及工件支撐臺8。可調節支撐臺可以具有第一工作面，旋轉裝置10可以固定設置於該第一工作面上，可調節支撐臺用於調節旋轉裝置10的位置，以使雷射發生器發出的雷射束能夠照射到工件的預定位置上進行切割，該可調節支撐臺可以對工件位置進行初步調整。工件支撐臺8可移動地設置於旋轉裝置10上，以用於調節工件的切割位置。工件可以固定設置於工件支撐臺8上，通過工件支撐臺8在旋轉裝置10上的移動，可以帶著工件的位置相對雷射束的照射位置進行改變，從而可以在工件18上切割出預想的圖案，例如但不限於工件上可以切割出圓形。
繼續參照圖3，本發明的一實施方式，其中雷射打孔裝置還包括第一導軌，第一導軌可以固定設置於旋轉裝置10上，工件支撐臺8能夠沿第一導軌在旋轉裝置10上移動。通過工件支撐臺8在旋轉裝置10上的移動，可以調整工件的位置相對雷射束的照射位置進行改變，從而得到預想的圖案，但不以此為限。本發明一種具體實施方式，雷射打孔裝置還包括第一二維平移臺9，第一二維平移臺9可以固定連接於旋轉裝置10和工件支撐臺8之間，以使得工件支撐臺8能夠在旋轉裝置10上移動。
本發明的一實施方式，其中可調節支撐臺可以包括升降裝置11和連接件12，升降裝置11可以具有第一表面，連接件12可移動地設置於該第一表面上。本發明一種具體實施方式，連接件12可以包括相互成角度的第一工作面和第二工作面，第二工作面可以為滑動地連接於升降裝置11的第一表面，第一工作面用於與旋轉裝置10連接。本發明的一具體實施方式，第一工作面和第二工作面可以設置為相互垂直，但不以此為限，第一工作面和第二工作面之間的角度可以根據實際雷射打孔的需要進行選擇。該連接件12可以設置為六面體結構或其他結構，為了節約成本，本發明一實施方式，連接件12可以設置為L型結構，第一工作面和第二工作面可以分別設置於該L型結構的相互垂直的兩個外側面上，但不以此為限。
本發明的一實施方式，其中可調節支撐臺還可以包括第二導軌，第二導軌可以固定設置於第一表面上，連接件12能夠沿第二導軌在升降裝置11上移動，以用於帶動工件在升降裝置11上移動，對工件的位置進行初步調整。繼續參照圖3，本發明的一實施方式，其中可調節支撐臺還包括第二二維平移臺13，第二二維平移臺13固定設置於第一表面上，連接件12可以固定設置於第二二維平移臺13上以隨第二二維平移臺13在第一表面上移動。
本發明一具體實施方式，雷射打孔裝置還可以包括驅動裝置14，例如但不限於步進電機，該驅動裝置14可以驅動旋轉裝置10轉動，以帶動工件旋轉，從而可以在工件上形成圓形通孔，但不以此為限。
本發明所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施方式中。在上面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本發明的實施方式的充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本發明的技術方案而沒有所述特定細節中的一個或更多，或者可以採用其它的方法、組件、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本發明的各方面。