一種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統的製作方法

2023-07-10 03:05:01

一種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統，包括コ字形支撐架、導光機構、聚焦透鏡、聚焦透鏡座、聚焦透鏡座旋轉機構、旋轉筒和固定套筒；聚焦透鏡為變曲率透鏡，外形為圓片形，表面為非球面，聚焦透鏡固定安裝在聚焦透鏡座上，與聚焦透鏡座聯動，固定套筒的上端緊固連接在頂板的內側，固定套筒的下端通過軸承與旋轉筒連接，使得旋轉筒可自由旋轉；導光機構與聚焦透鏡座的安裝方位應使得外部入射的雷射束經過45度反射鏡的轉折之後，垂直進入聚焦透鏡，之後聚焦在工件表面。本實用新型的加工焦距隨著鏡片旋轉而連續周期性變化，結合光束移動，使得雷射始終聚焦在雷射燒蝕而露出來的新表面，能量更集中，刻蝕更精細，效率更高。
【專利說明】一種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於雷射刻蝕加工領域，具體涉及一種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統。
【背景技術】
[0002]雷射刻蝕加工在雷射加工中屬於雷射去除類，也可以稱之為蒸發加工，是基於雷射與被加工材料相互作用引起物態變化形成的熱物理效應，以及各種能量變化產生的綜合結果。影響加工質量的主要因素取決於雷射的波長、雷射功率密度、光束質量、聚焦狀態和被加工材料本身的物理特性等參數。
[0003]雷射束初始經過聚焦透鏡後照射在處於焦平面的工件上，使被加工材料表面的溫度迅速上升。當溫度上升到接近於材料的蒸發溫度時，雷射對材料的去除加工開始進行。此時固態金屬發生強烈的相變，最先金屬開始融化，之後一部分開始汽化。隨著溫度不斷上升，金屬蒸汽攜帶著液相物質以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來，從而將底部新的表面暴露在雷射束照射之下，從而持續產生熔化、蒸發與噴濺。通過這種不斷的照射、熔化-蒸發、噴濺、照射，直至達到要求的雷射刻蝕深度或穿透整個工件材料。與此同時，雷射束按照設定的速度和路徑移動，以獲得要求的雷射刻蝕加工溝槽。
[0004]顯然，在雷射刻蝕過程中，隨著雷射照射、熔化-蒸發、噴濺的不斷進行，新生成的被照射表面越來越矮，亦即距離雷射束的初始焦平面越來越遠，從而產生越來越大的離焦量，這種離焦量的產生會導致雷射光斑變大、能量分散，進一步使得加工的溝槽變寬、加工效率降低。
實用新型內容
[0005]本實用新型針對上述現有技術的不足，提供了一種焦距動態變化、能量更集中、刻蝕更精細、效率更高的聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統。
[0006]本實用新型是通過如下技術方案實現的:
[0007]—種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統，包括-字形支撐架、導光機構、聚焦透鏡、聚焦透鏡座、聚焦透鏡座旋轉機構、旋轉筒和固定套筒；
[0008]所述-字形支撐架包括頂板、底板和連接頂板與底板的豎直支撐板，所述豎直支撐板上開設有雷射入射孔和用於將-字形支撐架固定到加工工具機上的多個螺釘孔；
[0009]所述聚焦透鏡為一變曲率透鏡，外形為圓片形，表面為非球面，其曲率特徵是沿距其中心R的圓周上，其曲率半徑沿該圓周連續變化，使得對特定雷射波長，沿該圓周上的焦距連續變化；
[0010]所述聚焦透鏡座呈圓環形，所述聚焦透鏡固定安裝在聚焦透鏡座的圓環中空部分，與聚焦透鏡座聯動，所述聚焦透鏡的中心軸線與聚焦透鏡座的中心軸線重合；
[0011]所述固定套筒的上端緊固連接在頂板的內側，固定套筒的下端通過軸承與旋轉筒連接，使得旋轉筒可自由旋轉；[0012]所述固定套筒的上端緊固連接在頂板的內側，固定套筒的下端通過軸承與旋轉筒連接，使得旋轉筒可自由旋轉；
[0013]所述導光機構包括至少一個45度反射鏡，所述45度反射鏡安裝在固定套筒內，所述固定套筒的側面上設置有導光孔；
[0014]所述45度反射鏡的安裝方位應該使得從雷射入射孔和導光孔入射的雷射束經45度反射鏡的反射後，其光路行進方向轉折到豎直向下，即與聚焦透鏡座的中心軸線平行；
[0015]所述聚焦透鏡座旋轉機構包括主動輪和從動輪,所述主動輪由驅動電機帶動旋轉，所述從動輪與主動輪嚙合；
[0016]所述從動輪中心設置有圓孔，其上端面邊沿與旋轉筒下端的法蘭固定連接在一起，圓孔的內壁上設置有有用於安裝聚焦透鏡座的第一環形臺階；旋轉筒為空心環形，環形內腔的底部設置有第二環形臺階，所述聚焦透鏡座的直徑恰好與第一環形臺階和第二環形臺階匹配，使得聚焦透鏡座可以水平擱置在第一環形臺階上，由第二環形臺階壓緊，並且使得聚焦透鏡座的中心軸線與從動輪的旋轉軸線重合；
[0017]所述導光機構與聚焦透鏡座的安裝方位應使得外部入射的雷射束經過45度反射鏡的轉折之後，垂直進入聚焦透鏡，之後聚焦在工件表面。
[0018]優選的，所述聚焦透鏡座旋轉機構中的主動輪為蝸杆，從動輪為蝸輪。
[0019]本實用新型所述的聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統的加工焦距隨著鏡片旋轉而連續周期性變化 ，結合工件相對於光束的移動，使得雷射始終聚焦在雷射燒蝕而露出來的新表面，能量更集中，刻蝕更精細，效率更高。光路自旋轉也有益於聚焦鏡片散熱，旋轉帶來的鏡片附近空氣流動加快，散熱更好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型所述聚焦光路系統的結構圖；
[0021]圖2為聚焦透鏡座的結構圖；
[0022]圖中各標號的含義為:
[0023]聚焦透鏡1、45度反射鏡2、旋轉筒3、固定套筒4、^字形支撐架5、推力滾子軸承6、導光孔7、雷射入射孔8、螺釘孔9、驅動電機10、主動輪11、從動輪12。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步詳細的說明。
[0025]如圖1所示，本實用新型提供了一種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統，其特徵在於，包括〕字形支撐架5、導光機構、聚焦透鏡1、聚焦透鏡座、聚焦透鏡座旋轉機構、旋轉筒3和固定套筒4;
[0026]所述口字形支撐架5包括頂板、底板和連接頂板與底板的豎直支撐板，所述豎直支撐板上開設有雷射入射孔8和用於將口字形支撐架5固定到加工工具機上的多個螺釘孔9。
[0027]所述聚焦透鏡I為一變曲率透鏡，外形為圓片形，表面為非球面，其曲率特徵是沿距其中心R(R小於透鏡半徑)的圓周上，其曲率半徑沿該圓周連續變化，使得對特定雷射波長，沿該圓周上的焦距連續變化；
[0028]所述聚焦透鏡座呈圓環形，所述聚焦透鏡I固定安裝在聚焦透鏡座的圓環中空部分，與聚焦透鏡座聯動，所述聚焦透鏡I的中心軸線與聚焦透鏡座的中心軸線重合；
[0029]所述固定套筒4的上端通過螺釘緊固連接在頂板的內側，固定套筒4的下端通過推力滾子軸承6與旋轉筒3連接，這樣使得旋轉筒3可以自由旋轉。
[0030]所述導光機構包括至少一個45度反射鏡2，所述45度反射鏡2安裝在固定套筒4內，所述固定套筒4的側面上設置有導光孔7。
[0031]所述45度反射鏡2的安裝方位應該使得從雷射入射孔8和導光孔7入射的雷射束經45度反射鏡2的反射後，其光路行進方向轉折到豎直向下，即與聚焦透鏡座的中心軸線平行。
[0032]所述聚焦透鏡座旋轉機構包括驅動電機10、主動輪11和從動輪12,所述主動輪11由驅動電機10帶動旋轉,所述從動輪12與主動輪11嚙合實現運動和動力的傳遞；
[0033]所述從動輪12中心設置有圓孔，其上端面邊沿通過螺釘與旋轉筒3下端的法蘭固定連接在一起，圓孔的內壁上設置有有用於安裝聚焦透鏡座的第一環形臺階；旋轉筒3為空心環形，環形內腔的底部設置有第二環形臺階，所述聚焦透鏡座的直徑恰好與第一環形臺階和第二環形臺階匹配，使得聚焦透鏡座可以水平擱置在第一環形臺階上，由第二環形臺階壓緊，並且使得聚焦透鏡座的中心軸線與從動輪12的旋轉軸線重合；
[0034]所述導光機構與聚焦透鏡座的安裝方位應使得外部入射的雷射束經過45度反射鏡2的轉折之後，垂直入射進入聚焦透鏡1，其在聚焦透鏡I上的入射位置位於與聚焦透鏡I的中心距為R(R小於透鏡半徑)的圓周上，之後聚焦在工件表面，聚焦透鏡I的曲率半徑沿該圓周連續變化，使得對特定雷射波長，沿該圓周上的焦距連續變化。
[0035]進一步的，所述聚焦透鏡I也可以是由多片組合的、可變曲率的透鏡組，通過膠合透鏡形式構成組合透鏡，只要其滿足曲率特徵是沿距其中心距離為R(R小於透鏡半徑)的圓周上，其曲率半徑沿該圓周連續變化，使得對特定雷射波長，沿該圓周上的焦距連續變化。
[0036]由於聚焦透鏡I為非球面、變曲率透鏡，不同部位的聚焦焦距不同。因此通過聚焦透鏡座旋轉機構驅動使得聚焦透鏡座和聚焦透鏡I旋轉，可以使得加工焦距隨著鏡片旋轉而連續周期性變化，結合工件相對於光束的移動，使得雷射始終聚焦在雷射燒蝕而露出來的新表面。
[0037]本實施例中所述聚焦透鏡座旋轉機構中的主動輪11為蝸杆，從動輪12為蝸輪，驅動電機10固定在豎直支撐板上，其輸出軸與蝸杆的一端相連，蝸杆的另一端通過軸承支撐安裝在底板上；所述蝸杆和蝸輪嚙合。當然聚焦透鏡座旋轉機構還可以採用其他結構，只要其能驅動聚焦透鏡座旋轉即可。
[0038]本實用新型可改變為多種方式對本領域的技術人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本實用新型的範圍。所有這樣的對所述領域的技術人員顯而易見的修改，將包括在本權利要求的範圍之內。
【權利要求】
1.一種聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統，其特徵在於，包括-字形支撐架(5)、導光機構、聚焦透鏡(I)、聚焦透鏡座、聚焦透鏡座旋轉機構、旋轉筒(3)和固定套筒(4)； 所述-字形支撐架(5)包括頂板、底板和連接頂板與底板的豎直支撐板，所述豎直支撐板上開設有雷射入射孔(8)和用於將-字形支撐架(5)固定到加工工具機上的多個螺釘孔(9)； 所述聚焦透鏡(I)為一變曲率透鏡，外形為圓片形，表面為非球面，其曲率特徵是沿距其中心為R的圓周上，曲率半徑沿該圓周連續變化； 所述聚焦透鏡座(2)呈圓環形，所述聚焦透鏡(I)固定安裝在聚焦透鏡座(2)的圓環中空部分，與聚焦透鏡座(2)聯動，所述聚焦透鏡(I)的中心軸線與聚焦透鏡座(2)的中心軸線重合； 所述固定套筒(4)的上端緊固連接在頂板的內側，固定套筒(4)的下端通過軸承(6)與旋轉筒(3)連接，使得旋轉筒(3)可自由旋轉； 所述導光機構包括至少一個45度反射鏡(2)，所述45度反射鏡(2)安裝在固定套筒(4)內，所述固定套筒(4)的側面上設置有導光孔(7)； 所述45度反射鏡(2)的安裝方位應該使得從雷射入射孔(8)和導光孔(7)入射的雷射束經45度反射鏡(2)的反射後，其光路行進方向轉折到豎直向下，即與聚焦透鏡座的中心軸線平行； 所述聚焦透鏡座旋轉機構包括驅動電機(10)、主動輪(11)和從動輪(12),所述主動輪(11)由驅動電機(10)帶動旋轉,所述從動輪(12)與主動輪(11)嚙合； 所述從動輪(12)中心設置有圓孔，其上端面邊沿通過螺釘與旋轉筒(3)下端的法蘭固定連接在一起，圓孔的內壁上設置有有用於安裝聚焦透鏡座(2)的第一環形臺階；旋轉筒(3)為空心環形，環形內腔的底部設置有第二環形臺階，所述聚焦透鏡座(2)的直徑恰好與第一環形臺階和第二環形臺階匹配，使得聚焦透鏡座(2)可以水平擱置在第一環形臺階上，由第二環形臺階壓緊，並且使得聚焦透鏡座(2)的中心軸線與從動輪(12)的旋轉軸線重合； 所述導光機構與聚焦透鏡座(2)的安裝方位應使得外部入射的雷射束經過45度反射鏡(2)的轉折之後，垂直進入聚焦透鏡(I)，之後聚焦在工件表面。
2.根據權利要求1所述的聚焦鏡旋轉的雷射刻蝕加工光路系統，其特徵在於，所述聚焦透鏡座旋轉機構中的主動輪(11)為蝸杆，從動輪(12)為蝸輪。
【文檔編號】B23K26/046GK203778968SQ201420172971
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】餘婷婷, 曹宇, 魏鑫磊, 蔡豐勇, 李峰平, 餘德格 申請人:溫州大學, 溫州百岸汽車零部件有限公司