本實用新型屬于激光加工領域，尤其涉及一種激光光束高速旋轉運動控制的激光加工系統。

背景技術：

激光鉆孔領域，激光焦點在孔和孔之間切換，目前振鏡掃描是比較成熟的最快的切換方式，表現在高的加減速、位移線速度以及定位速度。二維位移平臺是很慢的一種方式，一般很少采用了。

申請號201310042363.7的專利，激光偏移單元在激光旋轉單元之前，激光偏轉在獲得光束的偏轉角度外，光束在進入后續光學系統是，入射點也有位移，激光旋轉單元需要較大的入射口徑，需要較大的通光口徑，很難做到高速或者超高速旋轉。

光學鏡片高速旋轉時承受較大離心力，導致鏡片旋轉中心承受最大的拉應力，鏡片旋轉邊緣承受相對較小離心力，因此鏡片附加了一個發散光學系統，使得激光焦點離開平場掃描鏡的聚焦平面，無法進行激光加工，且轉速越高，激光焦點偏移距離越大。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足和缺陷，本實用新型提供了一種激光鉆孔系統，能夠提高激光光束旋轉速度并確保激光焦點保持在待加工工件表面或特定空間位置，并實現旋轉光束的高速高精度精細調制，獲得高速高精度的激光旋轉填充鉆孔效果。

本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下：

本實用新型提供了一種激光鉆孔系統，包括入射光束旋轉運動模塊、高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊和激光聚焦與焦點切換模塊；

所述入射光束旋轉運動模塊，用于對透射的入射光束進行旋轉調制以輸出旋轉光束，形成繞所述入射光束的光軸進行旋轉的第一光束，且所述所述第一光束光軸旋轉全角小于30毫弧度；

所述入射光束旋轉運動模塊包括至少一個激光光束旋轉單元，所述激光光束旋轉單元包括旋轉透射光學元件和用于帶動所述激光光束旋轉單元作旋轉運動的驅動裝置；所述旋轉透射光學元件旋轉速度大于6萬轉每分鐘，所述旋轉透射光學元件承受旋轉離心力從而對透射光束產生光束發散功能，且轉速越高，光束發散功能越強，所述第一光束的光束發散程度大于所述入射光束；

所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊，用于對所述第一光束的光束發散角隨著所述入射光束旋轉運動模塊旋轉速度的變化而變化產生的聚焦光束的激光焦點空間位置的變化進行補償，使得經過所述激光聚焦與焦點切換模塊聚焦后的聚焦光束的激光焦點始終處于待加工工件表面或特定空間位置；

所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊可以為高速旋轉運動光束發散補償單元和/或激光平場聚焦工作距補償單元；

所述高速旋轉運動光束發散補償單元，位于所述入射光束旋轉運動模塊之前或者位于所述入射光束旋轉運動模塊之后，用于對所述入射光束或所述第一光束的光束發散角進行發散角補償，使得聚焦光束的聚焦焦點始終處于待加工工件表面或者特定空間位置；

所述激光平場聚焦工作距補償單元，用于根據所述入射光束旋轉運動模塊輸出的第一光束的旋轉速度，對掃描平場聚焦鏡與待加工工件之間的間距 進行調整，使得不論第一光束的旋轉速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦點始終處于所述待加工工件表面或者特定空間位置；

所述激光聚焦與焦點切換模塊，用于對所述高速旋轉運動光束發散補償單元或者所述入射光束旋轉運動模塊的輸出光束進行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工單元之間進行切換或者在一個加工單元處對所述聚焦光束的激光焦點掃描運動進行輔助運動控制。

在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以作如下改進。

進一步的，所述旋轉透射光學元件為楔形棱鏡或衍射體光柵或光楔，所述驅動裝置為空心主軸電機，所述旋轉透射光學元件安裝在所述空心主軸電機的電機主軸上；所述空心主軸電機為氣浮空心主軸電機或磁浮空心主軸電機。

旋轉透射光學元件在高速旋轉(比如，超過6萬轉/分鐘轉速)時，旋轉透射光學元件旋轉中心部位的離心力最小，隨著旋轉透射光學元件旋轉半徑增加，旋轉透射光學元件邊緣承受最大離心力，此時，旋轉透射光學元件旋轉中心部位材料受到最大拉應力，對應部位材料折射率最小，旋轉透射光學元件旋轉邊緣部位材料受到最小拉應力，對應部位材料折射率最大；轉速越大，旋轉透射光學元件中心和邊緣的折射率差越大，形成更為明顯凹透鏡現象，相當于附加了一個變化的發散光學系統，使得激光焦點離開激光聚焦與焦點切換模塊的原有聚焦平面，即離開了待加工工件的待加工位置，無法進行正常激光加工，且轉速越高，激光焦點偏移距離越大，使用高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊可以確保聚焦光束的激光焦點始終處于待加工工件表面。

從公式角度描述，等厚旋轉圓盤以等角速度ω繞其中心軸轉動，若材料的密度為ρ，則旋轉質點的徑向離心力為：

f_r＝ρω²r

其中ρ為材料密度，ω為轉速，r為旋轉質點距離旋轉中心的距離，即旋轉半徑。

上述同心圓盤圓心，即圓盤旋轉中心在旋轉截面上的應力積分：

${\∫}_0^r{f}_{r}dr={\∫}_0^r{\mathrm{\ρ\ω}}^{2}rdr=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\ω}}^2{r}^2$

上述公式表明，半徑越大，旋轉中心所受拉力越大；旋轉角速度越高，旋轉中心所受拉力越大，特別是隨著轉速的提高，對旋轉中心所受拉力的影響更為明顯：例如轉速為10萬轉每分鐘，轉速的平方就是100億，如果轉速增加到30萬轉每分鐘，那么轉速的平方就是900億，因此，轉速上升到一定程度，旋轉中心所受拉力的影響非常巨大。對于采用高速旋轉光束進行激光微加工，必須考慮不同轉速下面，激光發散角的變化，否則，由于激光微加工中聚焦焦點非常小，焦深短，在高速轉速下，轉速稍微變化，激光焦點就離開了原來的位置。本申請引入高速旋轉運動光束的激光焦點的空間位置補償機制，使得激光高速旋轉時，激光焦點始終保持在待加工工件表面或者特定空間位置，獲得穩定高效的激光填充鉆孔效果。

在入射光束旋轉模塊高速旋轉時，高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊用于保持激光焦點處于掃描平場聚焦鏡的焦平面上，一旦入射光束旋轉模塊停止旋轉，如果高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊保持不變，此時激光焦點位于掃描平場聚焦鏡焦平面以上，即靠近掃描平場聚焦鏡方向，這時所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊繼續對激光焦點位置進行補償，使得激光焦點位于待加工工件表面或者特定空間位置。總之，入射光束旋轉模塊的轉速在6萬轉每分鐘以上，隨著轉速的變化，所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊必須對應變化，以保持聚焦光束激光焦點保持在待加工材料表面不變，即空間聚焦位置保持不變。本申請主要是通過對入射光束或者第一光束的光束發散角進行發散角補償，或者根據第一光束的旋轉運動速度來調整 待加工工件與掃描平場聚焦鏡之間的間距，使得聚焦光束的聚焦焦點始終保持在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面上，或者使得聚焦光束的聚焦焦點始終保持在待加工工件表面或者特定空間位置，提高激光鉆孔效率且保證激光鉆孔微加工穩定進行。

總之，由于驅動裝置可以采用氣浮空心主軸電機或磁浮空心主軸電機，可以控制激光光束旋轉單元高速或超高速旋轉，極大提高其激光銑削加工效率，但也因此導致透射激光束發散，且不同轉速發散程度不同，導致聚焦激光束焦點遠離待加工工件表面的程度不同，因此本申請設置了高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊，該模塊對入射光束旋轉運動模塊輸出光束進行發散角補償，保持入射激光聚焦與焦點切換模塊的光束發散角在一定范圍內，使得聚焦光束的激光焦點始終處于待加工工件表面，或者調整掃描平場聚焦鏡與待加工材料的距離，使得激光焦點保持在待加工材料表面，使得激光光束旋轉速度的變化時，保持聚焦光束的激光焦點在待加工材料表面或者特定空間位置，從而達到本申請的目的。

進一步的，所述入射光束旋轉運動模塊，包括兩個或兩個以上的串聯的激光光束旋轉單元，每一個所述激光光束旋轉單元各自獨立旋轉，第一個激光光束旋轉單元中的旋轉透射光學元件接收所述入射光束，所述第一個激光光束旋轉單元輸出激光束光軸沿著其入射激光的光軸進行自轉，后一激光光束旋轉單元的輸出光束的光軸沿著前一激光光束旋轉單元的輸出的光束的光軸進行公轉，并且還沿著該公轉軌跡進行自轉。

進一步的，所述激光聚焦與焦點切換模塊為振鏡掃描平場聚焦單元，所述振鏡掃描平場聚焦單元包括掃描振鏡和掃描平場聚焦鏡；

所述高速旋轉運動光束發散補償單元或者所述入射光束旋轉運動模塊的輸出光束經掃描振鏡反射后射入掃描平場聚焦鏡，經所述掃描平場聚焦鏡聚焦形成聚焦光束，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片偏轉達到控制激光 焦點在不同加工單元之間的切換，或在一個加工單元處的激光出光加工過程中，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片輔助偏轉對激光焦點掃描運動進行輔助運動控制。

進一步的，所述高速旋轉運動光束發散補償單元包括殼體和透鏡組，所述透鏡組安裝于所述殼體內，所述透鏡組包含至少兩個串聯的透鏡，通過改變所述透鏡組內的多個透鏡之間的間距實現對所述第一光束的發散角補償角度的調整。

所述進一步的有益效果為：隨著激光光束的不同旋轉轉速，高速旋轉運動光束發散補償單元能夠通過調整多個透鏡之間的間距來實現實時對高速旋轉激光光束的發散角補償角度的調整，使得激光聚焦焦點始終處于待加工工件表面，提高激光加工效率。

進一步的，所述透鏡組為一個凹透鏡和至少一個凸透鏡的組合，或者為至少兩個凸透鏡的組合。

在入射光束旋轉運動模塊高速旋轉時，高速旋轉運動光束發散補償單元用于保持激光焦點處于掃描平場聚焦鏡的焦平面上，一旦入射光束旋轉運動模塊停止旋轉，如果高速旋轉運動光束發散補償模塊保持不變，此時激光焦點位于掃描平場聚焦鏡焦平面以上，即靠近掃描平場聚焦鏡方向，這時所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊繼續對激光焦點位置進行補償，使得激光焦點位于待加工工件表面或者特定空間位置。總之，入射光束旋轉運動模塊的轉速在6萬轉每分鐘以上，隨著轉速的變化，高速旋轉運動光束發散補償模塊必須對應變化，以保持聚焦光束激光焦點保持在待加工材料表面不變，即空間聚焦平面保持不變。高速旋轉運動光束發散補償單元可以由凹透鏡與凸透鏡組合而成，也可以由凸透鏡與凸透鏡組合而成，組成形式多樣。

進一步的，還包括激光光束偏轉運動模塊，所述激光光束偏轉運動模塊位于所述入射光束旋轉運動模塊之后，用于采用偏轉方式調節所述第一光束 的運動軌跡輪廓大小，以形成第二光束，所述第二光束的運動由所述入射光束旋轉運動模塊單獨調制或者由所述入射光束旋轉運動模塊和所述激光光束偏轉運動模塊共同調制。

進一步的，所述激光光束偏轉運動模塊包括一個或至少兩個串聯的激光光束偏轉單元；

所述激光光束偏轉單元包括透射光學元件以及用于控制透射光學元件進行擺動的電機或壓電陶瓷；或者，

所述激光光束偏轉單元包括反射光學元件以及用于控制反射光學元件進行偏轉的電機或壓電陶瓷；或者，

所述激光光束偏轉單元包括聲光偏轉器，通過改變聲光偏轉器的驅動源的載波頻率調節所述聲光偏轉器的布拉格光柵反射角，進而改變透射激光傳輸方向；或者，

所述激光光束偏轉單元包括電光偏轉單元，通過改變電光偏轉器的驅動源的電壓調節所述透射激光傳輸方向。

本申請采用了平場掃描聚焦鏡作為平場掃描聚焦手段，平場掃描聚焦鏡對光束進行聚焦后，激光焦點在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動距離與平場掃描聚焦鏡焦距成正比，與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角的變化值成正比，一旦平場掃描聚焦鏡選定，平場掃描聚焦鏡焦距就確定，那么激光焦點在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動距離理論上只與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角變化值成正比。所有平行激光束在入射同一個掃描平場聚焦鏡且平行激光束入射掃描平場聚焦鏡的方位(角度與位移)均在所述平場掃描聚焦鏡設計范圍內時，所有平行入射的激光束均聚焦于掃描平場聚焦鏡焦平面上同一個點。因此，激光光束偏轉運動模塊對光束的傳輸角度改變對激光焦點在平場掃描聚焦鏡的聚焦平面的移動距離有貢獻。

從公式上描述：

${\∫}_0^r{f}_{r}dr={\∫}_0^r{\mathrm{\ρ\ω}}^{2}rdr=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\ω}}^2{r}^2$

上述公式表明，半徑越大，旋轉中心所受拉力越大，因此需要降低旋轉透射光學元件的通光孔徑；同時，孔徑過大，空心主軸電機的空心軸轉速也上不去。本申請將激光光束偏轉運動模塊置于入射光束旋轉運動模塊之后，因為激光光束偏轉運動模塊對激光光束進行角度偏轉時候，同時伴隨著空間位移，即會改變激光光束在光學鏡片上的入射點，如果將激光光束偏轉運動模塊置于入射光束旋轉運動模塊之前，那么就要求比較大的入射光束旋轉運動模塊輸入孔徑，這樣直接導致了入射光束旋轉運動模塊高速旋轉速度，速度越高的光束旋轉模塊，其光學孔徑是越小的，因此，本申請將激光光束偏轉運動模塊置于入射光束旋轉運動模塊之后，降低了入射光束旋轉運動模塊的光學入射孔徑的要求，直接對降低了入射光束旋轉運動模塊通光孔徑的要求，有利于進一步提高主軸旋轉速度，并且降低了旋轉光學元件的半徑要求，直接降低了旋轉光學元件高速旋轉時旋轉中心所受拉應力，因而降低了第一光束的發散程度，這樣，極大提升了入射光束旋轉運動模塊旋轉轉速上限，獲得更快的激光光束旋轉轉速，因而獲得高效精確復雜的激光光速填充運動。

本申請使用激光光束偏轉運動模塊，配合入射光束旋轉運動模塊，特別是帶有高速甚至超高速(目前氣浮主軸電機轉速可達36萬轉/秒)的入射光束旋轉運動模塊，可以達到在激光束高速甚至是超高速旋轉的同時，動態調制入射光束旋轉運動模塊出射激光光束的掃描填充軌跡輪廓的大小和形狀，這更符合實際大量加工需求。激光光束旋轉單元的旋轉透射光學元件在6萬轉/分鐘以上為高速。

配合振鏡掃描平場聚焦單元對激光束的高速位移切換能力和大范圍區 域掃描加工能力，可以達到大范圍、高速高質量、孔徑可變的微孔鉆孔的目的，也非常適合于橫截面變化的盲槽或者一次加工多種孔徑的盲孔激光銑削加工。

本申請中所述激光聚焦與焦點切換模塊，也可以是靜態聚焦鏡配合XY平臺移動方式。

本申請的工作原理如下：入射激光經過入射光束旋轉運動模塊后，輸出高速旋轉光束，即第一光束，該旋轉光束入射激光光束偏轉運動模塊，激光光束偏轉運動模塊對輸入旋轉光束進行偏轉調制，獲得偏轉旋轉復合運動激光束，即第二光束，所述第二光束的運動是入射光束旋轉運動模塊與激光光束偏轉運動模塊串聯運動調制完成或者由入射光束旋轉運動模塊獨立完成，其中，獨立完成是指入射光束旋轉運動模塊對光束進行方位調制時，所述激光光束偏轉運動模塊不作方位調制。通過激光聚焦與焦點切換模塊，對從激光光束偏轉運動模塊輸出的光束進行聚焦，并控制激光焦點在不同加工單元之間進行切換或在一個加工單元處對激光焦點掃描運動進行輔助運動控制。

所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊可以為高速旋轉運動光束發散補償單元和/或激光平場聚焦工作距補償單元；由于入射光束旋轉運動模塊的旋轉透射光學元件高速旋轉，在轉速達到6萬轉以上時，發生明顯的凹透鏡現象，對透過光束有明顯的發散作用，而且不同轉速時發散作用不同，轉速越高，發散作用越明顯，激光焦點越遠離掃描平場聚焦鏡的原有聚焦平面，因此，必須引入高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊，所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊可以為高速旋轉運動光束發散補償單元和/或激光平場聚焦工作距補償單元。所述高速旋轉運動光束發散補償單元，可以位于入射光束旋轉運動模塊前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦與焦點切換模塊之前，并對所述入射光束旋轉運動模塊輸出光束進行發散角度補 償，保持入射所述激光聚焦與焦點切換模塊的光束發散角，使得所述聚焦光束的激光焦點處于掃描平場聚焦鏡的原有聚焦平面上，使得激光微加工得以穩定持續進行，或者所述激光平場聚焦工作距補償單元改變掃描平場聚焦鏡與待加工材料之間的間距，使得旋轉激光焦點在光束旋轉時，激光焦點處于待加工材料表面，從而達到本發明的目的。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1的一種雙面銅箔柔性電路板的激光鉆孔系統結構示意圖；

圖2為入射光束旋轉運動模塊中的旋轉透射光學元件的工作原理圖；

圖3為實施例2的金屬箔激光鉆孔系統結構示意圖；

圖4為實施例3的多層柔性電路板激光鉆孔結構示意圖。

1、入射光束，2、高速旋轉運動光束發散補償單元，201、殼體，202、第一凸透鏡，203、第二凸透鏡，204、第一凹透鏡，205、第三凸透鏡，3、發散角角度補償后的光束，4、入射光束旋轉運動模塊，401、氣浮主軸電機的空心主軸，402、旋轉楔形棱鏡，5、第一光束，6、激光光束偏轉運動模塊，601、第一擺動楔形棱鏡，602、第一電機的電機主軸，603、擺動光束，604、第二電機，605、第二電機的電機主軸，606、第二擺動楔形棱鏡，7、第二光束，8、激光聚焦與焦點切換模塊，801第二電機的電機主軸，802、第二反射鏡片，803、第一反射光束，804、第二反射光束，805、第一反射鏡片，806、第一電機807的電機主軸，807、第一電機，808、遠心掃描平場聚焦鏡，809、聚焦光束，10、待加工工件。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解 釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。

實施例1：

圖1為雙面銅箔柔性電路板激光鉆孔系統結構示意圖，如圖1所示：雙面銅箔柔性電路板激光鉆孔系統主要包括入射光束旋轉運動模塊4、激光光束偏轉運動模塊6、高速旋轉運動光束發散補償單元2和激光聚焦與焦點切換模塊8。

所述入射光束旋轉運動模塊4包括一個激光光束旋轉單元，所述激光光束旋轉單元包括旋轉透射光學元件和用于帶動所旋轉透射光學元件做旋轉運動的驅動裝置。旋轉透射光學元件為旋轉楔形棱鏡402，旋轉楔形棱鏡402的折射率為1.45，厚度3毫米，其兩面均鍍355納米增透膜。驅動裝置為帶空心主軸的氣浮空心主軸電機，氣浮空心主軸電機也可以用帶空心主軸的磁浮空心主軸電機替代。所述旋轉楔形棱鏡402固定安裝在氣浮主軸電機的空心主軸401內，并一起做旋轉運動。氣浮主軸電機的空心主軸401內孔直徑為10毫米，氣浮主軸電機轉速可達18萬轉/分鐘。若選擇更小通孔孔徑的，氣浮主軸電機轉速可達36萬轉/分鐘。入射光束旋轉運動模塊4對透射的入射光束進行旋轉調制以輸出旋轉光束，形成繞所述入射光束的光軸進行旋轉的第一光束，所述第一光束光軸旋轉全角小于30毫弧度。

在入射光束旋轉運動模塊4之前還設置有高速旋轉運動光束發散補償模塊2，用于對高速旋轉運動的入射光束1的光束發散角度進行發散角角度補償，使得激光高速旋轉時候的激光焦點保持在待加工工件10表面或者特定空間加工位置。本實施例中，所述高速旋轉運動光束發散補償模塊2包括兩個串聯的第一凸透鏡202和第二凸透鏡203，串聯的第一凸透鏡202和第一凸透鏡203安裝于殼體201內，所述殼體201為組合體(圖中沒有標示)，使得第一凸透鏡202和第二凸透鏡203之間的間距可調，實現對入射光束發散角的調整，從而實現高速旋轉激光光束的發散角補償，本實施例中，高速 旋轉運動光束發散補償模塊2位于入射光束旋轉運動模塊4之前，可以稱呼為光束發散角前置補償；實際上，高速旋轉運動光束發散補償模塊2可以位于入射光束旋轉運動模塊4之后，可以稱呼為光束發散角后置補償。實際上，高速旋轉運動光束發散補償模塊2內部也可以采用第一凹透鏡204與第三凸透鏡205的組合設計實現旋轉光束發散角補償。如果光束發散角后補償涉及激光光束旋轉角度的縮減，此時需要考慮旋轉楔形鏡片402的角度設計，以確保入射激光聚焦與焦點切換模塊8的激光光束旋轉角度在設計范圍內。

所述激光光束偏轉運動模塊6包括兩個激光光束偏轉單元即第一激光光束偏轉單元和第二激光光束偏轉單元，第一激光光束偏轉單元包括第一擺動楔形棱鏡601和用于驅動所述第一擺動楔形棱鏡601的第一電機，所述第一擺動楔形棱鏡601安裝在第一電機的電機主軸602上，且第一電機的電機主軸602軸向垂直于紙面。第二激光光束偏轉單元包括第二擺動楔形棱鏡606和用于驅動所述第二擺動楔形棱鏡606的第二電機604，所述第二擺動楔形棱鏡606安裝在第二電機604的電機主軸605上。

所述激光聚焦與焦點切換模塊8為振鏡掃描平場聚焦單元，所述振鏡掃描平場聚焦單元包括掃描振鏡和掃描平場聚焦鏡，所述掃描平場聚焦鏡為普通平場掃描聚焦鏡或遠心平場掃描聚焦鏡等類型。本實施例中，掃描平場聚焦鏡采用遠心掃描聚焦鏡808，遠心平場掃描聚焦鏡808的焦距為160毫米，平場聚焦范圍70毫米×70毫米。掃描振鏡包括第一反射鏡片805和第二反射鏡片802。

所述掃描振鏡的第一反射鏡片805安裝在掃描振鏡的第一電機807的電機主軸806上。所述掃描振鏡的第二反射鏡片802安裝在掃描振鏡的第二電機的電機主軸801上。

所述待加工工件10為76微米厚度雙面柔性銅箔，從外向里的加工層分別為：18微米銅箔+10微米環氧樹脂膠+20微米聚酰亞胺樹脂+10微米環氧 樹脂膠+18微米銅箔。

整個雙面柔性銅箔激光鉆孔的裝置結構中的光路流程如下：入射光束1經高速旋轉運動光束發散補償模塊2，輸出發散角角度補償后的光束3，發散角角度補償后的光束3經入射光束旋轉運動模塊4中的旋轉楔形棱鏡402，輸出第一光束5，第一光束5經激光光束偏轉運動模塊6輸出第二光束7，其中，第一光束5入射激光光束偏轉運動模塊6中的第一擺動楔形棱鏡602后得到擺動光束603，所述光束603經第二擺動楔形棱鏡606輸出第二光束7，所述第二光束7經掃描振鏡第一反射鏡片805得到第一反射光束804，所述第一反射光束804經掃描振鏡的第二反射鏡片802得到第二反射光束803，所述第二反射光束803經遠心平場掃描聚焦鏡808進行聚焦，得到聚焦光束809，所述聚焦光束809直接作用于待加工工件10。

所述入射光束1為直徑為7毫米的入射擴束準直光束。

聚焦光束809的相關參數如下：激光波長355納米，光束質量因子小于1.2，光斑圓度大于百分之九十，平均功率8瓦，單模高斯激光(橫向場強為高斯分布)，脈沖重復頻率100千赫茲。

所述第一擺動楔形棱鏡601的折射率為1.45，最薄厚度1毫米，最厚厚度3毫米，其兩面均鍍355納米增透膜，可以繞垂直于紙面平板石英第一電機的電機主軸602旋轉，使得所述第一擺動楔形棱鏡601的入射表面法線與入射光束1的角度α在0～10度范圍內變化，并使得擺動光束603相對于第一光束5獲得相應角度偏轉，角度偏轉量在0～0.5度范圍之間變化。

所述第二擺動楔形棱鏡606與第一擺動楔形棱鏡601相同，但其旋轉軸(即第二電機604的電機主軸605)與第一電機的電機主軸602空間交叉。第二電機304的電機主軸605控制所述第二擺動楔形棱鏡606，使得所述第二擺動楔形棱鏡606的入射表面法線與所述擺動光束603的角度α為0～10度變化，使得第二光束7相對于擺動光束603獲得相應角度偏轉，角度偏轉 量在0～0.5度范圍之間變化。

所述第二擺動楔形棱鏡606與第一擺動楔形棱鏡601的運動對第一光束5進行了二維角度調制，使得第二光束7的運動軌跡是入射光束旋轉運動模塊4與激光光束偏轉運動模塊6雙重調制結果。

掃描振鏡的兩片反射鏡片即第一反射鏡片805與第二反射鏡片802相配合，每加工完畢一個孔，就把聚焦光束809的焦點移動到下一個位置，這種跳轉過程中激光是閉光的；當所述第一反射鏡片805與第二反射鏡片802再一次鎖定不動，此時激光出光。通過第二擺動楔形棱鏡606與第一擺動楔形棱鏡601的運動控制第二光束7軌跡，例如圓周運動，圓周直徑100微米，如果旋轉楔形棱鏡402鎖定不動，所述聚焦光束809會在工件10相應位置上刻劃出150微米直徑圓圈(焦點光斑直徑50微米)，通過第二擺動楔形棱鏡606與第一擺動楔形棱鏡601的運動控制改變第二光束7的軌跡，聚焦光束809會在待加工工件10的相應位置上刻劃出對應的輪廓。如果第二擺動楔形棱鏡606與第一擺動楔形棱鏡601鎖定不動，所述旋轉楔形棱鏡402與旋轉軸線成垂直并進行一定速度的旋轉，所述旋轉楔形棱鏡402由于設計好一定楔角，使得第一光束5旋轉全角為4毫弧度，那么，聚焦光束809在待加工工件10上形成直徑700微米直徑圓圈(焦點光斑直徑50微米)。如果所述旋轉楔形棱鏡402進行一定速度的旋轉，通過第二擺動楔形棱鏡606與第一擺動楔形棱鏡601的運動控制保持第二光束7的軌跡,例如第二光束7的光軸維持聚焦焦點的100微米的圓圈運動，那么聚焦光束809會在待加工工件10的相應位置上刻劃出對應的填充輪廓(內徑625微米，外徑775微米的圓環填充軌跡)；通過第二擺動楔形棱鏡606與第一擺動楔形棱鏡601的運動控制自動改變或者動態改變第二光束7的軌跡，那么聚焦光束809會在待加工工件10的相應位置上刻劃出對應的填充輪廓也在自動改變或者動態改變。所述掃描振鏡用于接收從所述激光光束偏轉運動模塊6輸出的第二光束7， 所述第二光束7經掃描振鏡反射后射入遠心平場掃描聚焦鏡808，經遠心平場掃描聚焦鏡808聚焦形成聚焦光束809，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片偏轉達到控制激光焦點在不同加工單元之間的切換，或在一個加工單元處的激光出光加工過程中，所述掃描振鏡通過掃描振鏡反射鏡片輔助偏轉對激光焦點掃描運動進行輔助運動控制。通過這種方法，可以在所述待加工工件10上鉆出所需要的不同孔徑的通孔陣列。

本實施例采用了掃描平場聚焦鏡作為平場掃描聚焦手段，包括普通平場掃描聚焦鏡和遠心平場掃描聚焦鏡，所述普通平場掃描聚焦鏡或者遠心平場掃描聚焦鏡對光束進行聚焦后，激光焦點在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動距離與平場掃描聚焦鏡焦距成正比，與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角的變化值成正比，一旦平場掃描聚焦鏡選定，平場掃描聚焦鏡焦距就確定，那么激光焦點在平場掃描聚焦鏡焦平面上的移動距離理論上只與平場掃描聚焦鏡入口光束和平場掃描聚焦鏡光軸夾角或者夾角變化值成正比。所有平行激光束在入射同一個掃描平場聚焦鏡且平行激光束入射掃描平場聚焦鏡的方位(角度與位移)均在所述平場聚焦鏡設計范圍內時，所有平行入射的激光束均聚焦于掃描平場聚焦鏡焦平面上同一個點。因此，所述激光光束偏轉運動模塊對光束的傳輸角度改變對激光焦點在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面的移動距離有貢獻，在改變光束傳輸角度的同時帶來的光束平移，對激光焦點在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面的移動距離沒有貢獻。

通過改變第一擺動楔形棱鏡601、第二擺動楔形棱鏡606的厚度或折射率，可以改變擺動光束603和第二光束7的掃描偏轉角度大小；通過改變旋轉楔形棱鏡402的楔角或折射率，可以改變第一光束5的旋轉全角。所有光束傳輸角度的變化都會體現在掃描平場聚焦鏡掃描聚焦平面上激光焦點的相對位移。

所述旋轉透射光學元件在超過6萬轉/分鐘轉速旋轉，旋轉透射光學元件旋轉中心部位的離心力最小，隨著旋轉透射光學元件旋轉半徑增加，旋轉透射光學元件邊緣承受最大離心力，此時，旋轉透射光學元件旋轉中心部位材料受到最大拉應力，對應部位材料折射率最小，旋轉透射光學元件旋轉邊緣部位材料受到最小拉應力，對應部位材料折射率最大；轉速越大，所述旋轉透射光學元件中心和邊緣的折射率差越大，形成更為明顯凹透鏡現象，所述高速旋轉運動光束發散補償模塊，可以位于入射光束旋轉運動模塊前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦與焦點切換模塊之前，并對所述入射光束旋轉運動模塊輸出光束進行發散角角度補償，保持入射所述激光聚焦與焦點切換模塊的光束發散角，使得所述聚焦光束的激光焦點始終處于掃描平場聚焦鏡的聚焦平面上或者處于始終處于待加工工件的表面或者特定空間加工位置。

參見圖2，所述旋轉透射光學元件的原理為：其中，14為高速旋轉鏡片，圖中1401/1402/1403/1404/1405分別為在鏡片上假想的同心圓，同心圓的圓心為鏡片旋轉中心，每一個圓所處位置處的光學材料受到相同的離心力，內圓上的材料本身離心力小，但是由于受到外圓上材料的離心拉力，內圓上材料的力包括自身材料的離心力和外圓上材料的離心力的和力，因此越是內圓上的材料，所受拉力就越大，即1405圓圈上材料所受的拉力大于1404圓圈上材料所受的拉力，1404圓圈上材料所受的拉力大于1403圓圈上材料所受的拉力，1403圓圈上材料所受的拉力大于1402圓圈上材料所受的拉力，1402圓圈上材料所受的拉力大于1401圓圈上材料所受的拉力。高速旋轉鏡片14的旋轉中心所受拉力最大。光學材料所受拉力越大，光學材料折射率越小，旋轉鏡片中心承受拉力最大，折射率最小，高速旋轉鏡片四周承受拉力最小，折射率最大，因此，平面的高速旋轉鏡片14就會變成發散凹透鏡。

進一步從公式上描述，等厚旋轉圓盤以等角速度ω繞其中心軸轉動，若材料的密度為ρ，則旋轉質點的徑向離心力為：

f_r＝ρω²r；

其中ρ為材料密度，ω為轉速，r為旋轉質點距離旋轉中心的距離，即旋轉半徑。

上述同心圓盤圓心，即圓盤旋轉中心在旋轉截面上的應力積分：

${\∫}_0^r{f}_{r}dr={\∫}_0^r{\mathrm{\ρ\ω}}^{2}rdr=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\ω}}^2{r}^2$

上述公式表明，半徑越大，旋轉中心所受拉力越大。旋轉速度越大，旋轉中心所受拉力越大。

本實施例中所述高速旋轉運動光束發散補償模塊2位于所述入射光束旋轉運動模塊4前面，兩個串聯的第一凸透鏡202和第二凸透鏡203均鍍有355nm增透膜，當所述入射光束旋轉運動模塊4的激光光束旋轉單元進行高速旋轉時，第一光束5也會高速旋轉，在轉速超過6萬轉每分鐘時，其發散角開始發散，轉速越高，發散越厲害，聚焦光束809的激光焦點開始遠離遠心平場掃描聚焦鏡808，即激光焦點離開了待加工材料10的加工表面，此時可以調整兩個凸透鏡202和203之間的間距，壓縮所輸出光束的光束發散角，使得聚焦光束809的激光焦點保持在待加工材料10的加工表面；第一光束5轉速越高，越需要進一步壓縮所述高速旋轉運動光束發散補償模塊2所輸出光束的光束發散角，使得聚焦光束809的激光焦點保持在待加工工件10的加工表面。當然，如果是圖4所述的情形，需要調整第一凹透鏡204和第三凸透鏡205之間的間距，進而調整所述高速旋轉運動光束發散補償模塊2所輸出光束的光束發散角，使得聚焦光束809的激光焦點保持在待加工工件10的加工表面，這是本申請的發明點之一。

本實施例采用了掃描平場聚焦鏡作為平場掃描聚焦手段，所述激光光束偏轉運動模塊6對光束的傳輸角度改變對激光焦點在掃描平場聚焦鏡的聚焦 平面的移動距離有線性關系，在改變光束傳輸角度的同時帶來的光束平移，對激光焦點在掃描平場聚焦鏡的聚焦平面的移動距離沒有貢獻。本實施例將激光光束偏轉運動模塊6置于入射光束旋轉運動模塊4之后，因為所述激光光束偏轉運動模塊6對激光光束進行角度偏轉時候，同時伴隨著空間位移，即會改變激光光束在光學鏡片上的入射點，如果將所述激光光束偏轉運動模塊6置于入射光束旋轉運動模塊之前，那么就要求入射光束旋轉運動模塊4具備比較大的通光孔徑，這樣直接導致了入射光束旋轉運動模塊4旋轉速度無法進一步提高，速度越高的光束旋轉模塊，其光學孔徑是越小的。因此，本實施例將所述激光光束偏轉運動模塊6置于入射光束旋轉運動模塊4之后。本實施例將激光光束偏轉運動模塊6置于入射光束旋轉運動模塊4之后，降低了入射光束旋轉運動模塊的光學入射孔徑的要求，有利于進一步提高主軸旋轉速度，同時，通光孔徑的降低也降低了旋轉光學元件的直徑，因而降低了旋轉光學元件在高速旋轉時的拉應力，降低了旋轉光學元件的發散特性能力，更有利于減少旋轉激光焦點漂移的距離。這是本申請的發明點之二，其好處是所述第一光束5可以獲得更高的旋轉轉速，例如36萬轉每秒，如果激光光束偏轉運動模塊6置于入射光束旋轉運動模塊之前，由于需要較大的輸入光學孔徑(例如，激光偏轉20毫弧度，偏轉棱鏡鏡片離光學旋轉單元至少200毫米，這樣，僅僅是光束入射點的偏移距離就是20毫弧度*200毫米＝4毫米，加上8～10毫米光斑直徑，再加上余量，因為激光束不可以接觸到旋轉氣浮電主軸，因而所對應的氣浮電主軸內空孔徑至少需要15毫米，那種電主軸最高穩定轉速不超過12萬轉每分鐘)，只有選擇旋轉速度較慢一些的高速旋轉模塊，導致第一光束旋轉速度上不來，極大影響了加工效率。所述激光光束偏轉運動模塊6與所述入射光束旋轉運動模塊4的相對位置的不同，結果差異十分巨大，選擇將激光光束偏轉運動模塊6位于所述入射光束旋轉運動模塊4之后，這是本申請的另一個發明點。

所述遠心平場掃描聚焦鏡808的加工范圍畢竟還是有限，如果加工幅面還不夠大，實際上還可以把所述待加工工件10置于移動平臺上，這樣可以實現大范圍的激光加工，實踐中激光加工掃描范圍面積一般超過200毫米×200毫米的通常稱為大面積。

本實施例這種加工方式的好處是，用高斯激光實現平頂激光加工效果，同時保留高斯激光長焦深和高斯分布光強的激光加工特點等優點，非常適合于需要平頂激光加工或者微小范圍均勻快速填充掃描的領域，加工效果優于平頂激光且控制非常簡單。

實施例2：

圖3為金屬箔激光鉆孔系統示意圖，如圖3所示：包括入射光束1、高速旋轉運動光束發散補償模塊2、入射光束旋轉運動模塊4和激光聚焦與焦點切換模塊8。

所述入射光束旋轉運動模塊4和激光聚焦與焦點切換模塊8與實施例1相同。

在入射光束1與入射光束旋轉運動模塊4之間設置有高速旋轉運動光束發散補償模塊2，用于對高速旋轉運動光束發散角度補償，使得激光高速旋轉時候的激光焦點保持在掃描平場聚焦鏡的聚焦焦平面上。本實施例中，所述高速旋轉運動光束發散補償模塊2包括第一凹透鏡204和第三凸透鏡205，所述第一凹透鏡204與第三凸透鏡205安裝于殼體201內，所述殼體201為組合體(圖中沒有標示)，使得第一凹透鏡204和第三凸透鏡205之間的間距可調，實現輸出激光束發散角的調整，從而實現高速旋轉激光光束的發散角補償，本實施例中，高速旋轉運動光束發散補償模塊2位于入射光束旋轉運動模塊4之前，可以稱呼為光束發散角前置補償；實際上，高速旋轉運動光束發散補償模塊2可以位于入射光束旋轉運動模塊4之后，可以稱呼為光束發散角后補償，此時需要考慮旋轉楔形鏡片402的角度設計，以確保入射 到激光聚焦與焦點切換模塊的激光光束旋轉角度在設計范圍內。

所述待加工工件10為厚度分別為50微米銅箔、100微米的不銹鋼薄片。

本實施例光路流程與實施例1類似，只是本實施的金屬箔激光鉆孔系統在入射光束旋轉運動模塊2之后沒有設置激光光束偏轉運行模塊6。

所述入射光束1為直徑為7毫米的入射擴束準直光束，聚焦光束809的相關參數與實施例1同。

所述旋轉透射光學元件在超過6萬轉/分鐘轉速旋轉，旋轉透射光學元件旋轉中心部位的離心力最小，隨著旋轉透射光學元件旋轉半徑增加，旋轉透射光學元件邊緣承受最大離心力，此時，旋轉透射光學元件旋轉中心部位材料受到最大拉應力，對應部位材料折射率最小，旋轉透射光學元件旋轉邊緣部位材料受到最小拉應力，對應部位材料折射率最大；轉速越大，所述旋轉透射光學元件中心和邊緣的折射率差越大，形成更為明顯凹透鏡現象，所述高速旋轉運動光束發散補償模塊，可以位于入射光束旋轉運動模塊前面前面或者后面，但位于所述所述激光聚焦與焦點切換模塊之前，并對所述入射光束旋轉運動模塊輸出光束進行準直補償，保持入射所述激光聚焦與焦點切換模塊的光束發散角，使得所述聚焦光束的激光焦點處于掃描平場聚焦鏡的聚焦平面上。

本實施例中所述高速旋轉運動光束發散補償模塊2可以由擴束器擔任，該擴束器同時具備激光擴束功能和高速旋轉運動光束發散補償功能，所述擴束器位于所述入射光束旋轉運動模塊4前面，第一凹透鏡204與第三凸透鏡205均鍍有355nm增透膜，當所述入射光束旋轉運動模塊4的激光光束旋轉單元進行高速旋轉時，第一光束5也會高速旋轉，在轉速超過6萬轉每分鐘時，聚焦光束809的激光焦點開始遠離遠心平場掃描聚焦鏡808，即激光焦點離開了待加工工件10的加工表面，此時可以調整第一凹透鏡204與第三凸透鏡205之間的間距，壓縮所輸出光束的光束發散角，使得聚焦光束809 的激光焦點保持在待加工材料10的加工表面；第一光束5轉速越高，也需要進一步壓縮所述高速旋轉運動光束發散補償模塊2所輸出光束的光束發散角，使得聚焦光束809的激光焦點保持在待加工材料10的加工表面。這是本申請的發明點之一。

本實施例這種加工方式的好處是，針對不同的加工材料，需要或者同一種材料不同的加工部位，需要不同的激光轉速時，可以保持激光焦點處于待加工材料表面，使得入射光束旋轉運動模塊具備實際應用價值。

本實施例用高斯激光實現平頂激光加工效果，同時保留高斯激光長焦深和高斯分布光強的激光加工特點等優點，非常適合于需要平頂激光加工或者微小范圍均勻快速填充掃描的領域，加工效果優于平頂激光且控制非常簡單。

實施例3：

圖4為多層柔性電路板激光鉆孔系統示意圖，如圖4所示：包括入射光束1、高速旋轉運動光束發散補償模塊2、入射光束旋轉運動模塊4、激光光束偏轉運動模塊6和激光聚焦與焦點切換模塊8。

本實施例與前述實施例1的區別在于高速旋轉運動光束發散補償模塊2內部透鏡組由第一凹透鏡204和第三凸透鏡205組成，高速旋轉運動光束發散補償模塊2在本實施例中其實具備激光擴束功能和高速旋轉運動光束發散補償功能。

本實施例在高速旋轉光束發散補償機制方面與實施例2相同。相比較實施例2，還包括：在入射光束旋轉模塊4與激光聚焦與焦點切換模塊8之間，還設置有激光光束偏轉運動模塊6。所述第一光束5發射至位于所述激光光束偏轉運動模塊6中的激光光束偏轉單元，并輸出第二光束7，所述激光光束偏轉運動模塊6采用偏轉方式調節所述第二光束7的運動軌跡輪廓大小，所述第二光束7的光束運動是入射光束旋轉運動模塊4與激光光束偏轉運動 模塊6共同調制或者由入射光束旋轉運動模塊4單獨調制運動。

相比較實施例2，本實施例的待加工工件10為不同材料疊加而成的多層加工層，入射光束1的脈沖能量根據加工不同層不同材料時，其脈沖能量或者峰值功率可以動態切換。

本實施例的好處是引入了激光光束偏轉運動模塊6，它可以高精度高速度控制第一光束的微小運動，特別適合于微孔(小于100微米)的填充鉆孔。

上述實施例只是本申請的典型應用，實際上其原理應用不限于上面情形，例如還可以在透明材料或者硬脆材料上加工錐形孔甚至盲孔等。

本實用新型提出的一種激光鉆孔系統，引入了高速旋轉運動光束發散補償機制，使得激光高速旋轉時候，激光焦點保持在待加工工件表面或者特定空間位置，獲得穩定高效的激光填充鉆孔效果；將激光光束偏轉運動模塊置于入射光束旋轉運動模塊之后，降低了入射光束旋轉運動模塊通光孔徑要求，降低了高速旋轉光學元件的光束發散特性，同時極大提升了入射光束旋轉運動模塊旋轉轉速上限，獲得更快的激光光束旋轉轉速，因而獲得高效精確復雜的激光光束鉆孔或者填充鉆孔運動。本發明特別適合于薄材料群孔加工，也特別適合用于一些脆硬材料的銑削與鉆孔加工，相比傳統激光銑削加工，本方案加工均勻性和加工效率與質量大幅度提高。

在本說明書的描述中，參考術語“實施例一”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體方法、裝置或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、方法、裝置或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。