激光打孔系统设计

1、第一章 激光打孔系统概述1.1 激光的特性激光的应用领域根据激光的特性而确定。概括地说，激光有四大特性：单色性、相干性、方向性和高能量密度。1. 激光的单色性 激光器所发出的激光具有其它光源的光所难以达到的、极高的单色性，这是由于构成激光的谐振腔的反射镜具有波长选择性，并且利用原子固有能级跃迁的结果。激光是受激发射的，它的频率宽度很窄，比普通光源（如氪灯）的频率宽度要窄几个数量级。因此，激光单色性比普通光源单色性要好得多。2. 激光的相干性相干性是区别激光与普通光源的重要特征。当两列振动方向相同、频率相同、相位固定的单色波迭加后，光的强度在迭加区域不是均匀分布的，而是在一些地方有极大值，一些地

2、方有极小值。这种在迭加区域出现的强度稳定的强弱分布的现象称为光的干涉现象，即这两列光波具有相干性。在普通光源中，各发光中心是自发辐射，彼此相互独立，基本上没有相位关系，因此很难有恒定的相位差，相干性很差；而激光是受激辐射占优势，加上谐振腔的作用，各发光中心是相互密切联系的，在较长时间内有恒定的相位差，能形成稳定的干涉条纹，所以激光的相干性好。3. 激光的方向性激光束的方向性好亦即光线的发散度小，是因为从谐振腔发出的只能是反射镜多次反射后无法显著偏离谐振腔轴线的光波。由于不同激光器的工作物质类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式以及激光器的工作状态不同。一般气体激光器由于工作物质有良好均匀性，并

3、且腔长一般较大，所以有最好的方向性，发散角可以达到10-3rad；固体激光器方向性较差，发散角一般在10-2rad量级。当然，通过外光路系统的改进（如加望远镜系统），也可以改善其方向性。激光束的空间相干性和方向性对它的聚集性能有重要影响。4. 激光的高能量密度激光束也和其它光束一样，可以通过凸镜或金属反射镜加以聚焦。经聚焦后，可以将激光的巨大能量聚焦到直径为光波波长量级的光斑上，形成极高的能量密度，例如了产生的1051013W/cm2功率密度（辐照度）。主要的特征就是激光可以聚焦产生巨大的功率密度，而使激光加工成为可能。1.2 激光打孔的特点激光打孔与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手

4、段相比，具有以下显著的优点：1. 激光打孔速度快，效率高，经济效益好。由于激光打孔是利用功率密度为107109W/cm2的高能量激光束对材料进行瞬时作用，作用时间只有10-310-5s，因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合，通过微处理机进行程序控制，可以实现高效率打孔。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比，效率提高101000倍。2. 激光打孔可获得大的深径比。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。对于用激光束打孔来说，激光束参数较其它打孔方法更便于优化，所以可获得比电火花打孔及机械钻孔大得多的深径比。一般情况下，机械钻孔比电火花打孔所

5、获得的深径比值不超过10。3. 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。高能量激光束打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，它既适合金属材料，也适合于一般难以加工的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。由于难加工材料大都具有高强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力强等性质，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短，表面粗糙度差、倾斜面上打孔等因素使打孔的难度更大。而用激光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得到解决。我国钟表行业所用的宝石轴承几乎全部是激光打孔。人造金刚石和天然金刚石的激光打孔应用也非常普遍。用YAG激光在厚度为5.5的硬质合金上打孔

6、，深径比高达14：1，而在11.5厚的65Mn上可打出深径比为19：1的小孔。在10厚的坚硬的氮化硅陶瓷上可容易地打出直径为0.6的小孔，这都是常规打孔手段无法办到的。特别是在弹性材料上，由于弹性材料易变形，很难用一般方法打孔。例如在婴儿奶瓶的奶嘴上打孔，由于在打孔过程中奶嘴材料易变形，使得孔形不规则，所以打孔比较困难。用激光不仅质量高，而且效率也高。可用分光束器将单个激光脉冲分成三部分，用光学系统聚焦，同时打出两个通气孔和一个食奶孔。用铝掩膜和同轴喷气方法能使二氧化碳激光在塑料和薄橡胶片上打大量的小孔；激光可以加工气溶胶塑料喷嘴小孔；在尼龙钮扣上打孔可以避免用机械方法打孔时产生的碎屑，还能够

7、消除使缝纫线割断的棱角等。4. 激光打孔无工具损耗。激光打孔为无接触加工，避免了机械钻打微孔时易断钻头的问题。用机械钻加工直径为0.8以下的小孔，即使是在铝这样软的材料上，也常常出现折断钻头的问题，这不仅造成工具损耗而加大成本，而且会因为钻头折断致使整个工件报废。如果是在群孔板的加工中出现钻头折断，将使问题更为严重。在这种情况下，去除折断钻头的最好方法也仍然是激光打孔。当然此时的激光打孔设备必须具备精密的瞄准装置，以便准确无误地打掉折断的钻头。5. 激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。由于激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机、电一体化，使得激光打孔过程准确无误地重复成千上万次

8、。结合激光打孔孔径小、深径比大的特点，通过程序控制可以连续、高效地制作出小孔径、数量大、密度高的群孔板。激光加工出的群孔板的密度比机械钻孔和电火花打孔的群孔板高13个数量级，例如，食品、制药行业使用的过滤片厚度为13，材料为不锈钢，孔径为0.30.8，密度为10100孔/cm2。为了达到节油40%的目的，要在飞机机翼上打出5万个直径为0.064的孔。在飞机的防水系统中用激光加工出34.5万多个小孔。在一台推力为一万公斤以上的现代航空发动机的涡轮叶片及火焰筒等零件上加工出710万个冷却小孔。若采用气膜和发散冷却技术，小孔数量可达50万个。这些大数量的孔非激光打孔莫属。6. 用激光可在难加工材料倾

9、斜面上加工小孔。对于机械打孔和电火花打孔这类接触式打孔来说，在倾斜面上打小孔是极为困难的。倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。如果为高强度、高硬度材料，打孔几乎是不可能的；而激光却特别适合于加工与工件表面成6°90°角的小孔，即使是在难加工材料上打斜孔也不例外。另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，没有污染。因为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而十分卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域

10、均较小，不需要特别保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。由此可见，激光是一种高质量、快速打孔的有效工具。1.3 激光打孔原理概述 所谓激光打孔，就是将聚焦的激光束射向工件，把工件的指定范围“烧穿”。一般说来，当功率密度为W/cm2时，就能使各种材料（包括陶瓷）熔化或气化，即达到“烧穿”的目的。由于激光的亮度极高，只要将中等强度的激光束有透镜聚焦，在焦面处的功率密度远远大于上述的数值，因此激光是一种强有力的打孔工具。由于激光是波长单一、亮度极高、空间相干性和时间相干性都非常好的相干光，它具有良好的可聚焦性。激光经过光学系统的整理、聚焦和传输，在焦

11、点处可得到直径为十几至几微米的细小光斑，使得焦点处激光的功率密度高达1051013W/cm2。在焦面处的激光功率密度，等于激光输出功率除以光点面积，即： F = （11）式中F为焦面处的激光功率密度，P为激光输出功率，d为焦面处光点的直径。激光经聚焦后作为高强度热源对材料进行加热，如(图21)所示。当激光功率密度为105106 W/cm2时（见图22），就能使各种材料（包括陶瓷）熔化或汽化。图11激光打孔；图22各种过程所需要的功率密度；图23激光束的发散角虽然说激光的方向性极好，但也有一定的发散角（见图23）。假设激光束的发散角为，聚焦透镜的焦距为f，则在焦面上的光点的直径d为： （12）在

12、一般情况下，固体激光器光束的发散角为10-210-3弧度。如果聚焦透镜的焦距为几厘米，那么光点的大小就是几十至几百微米。在不同材质上打孔，所需要的功率密度不同，可根据式（21）选择输出功率密度适当的激光器。打孔时，孔的纵截面的形状在很大程度上取决于焦平面与像面之间的光束形状。光束的形状则由内部边界光（即通过谐振腔内光线最小截面的外部各点的光，或由被投射的光栏的边缘发出的光）的光程决定。设计光路时，要使这些光线的交点与物镜的前焦点重合。这样，光学系统的焦点与像之间的光束为一柱面所限。光束的柱形部分的长度可用下式求： （13）式中，为柱形光束的长度；为物镜的焦距；为激光的发散角；为光栏直径或谐振腔

13、内光线最小截面的直径；为柱形光束的直径。柱形光束对除孔底的材料颇有用处，可显著改变孔的圆锥形。当柱形激光加工材料时，造成孔壁熔化的主要因素之一，即激光在某一角度下被孔壁直接吸收可予彻底消除，或将其影响减至最低限度。在孔深增大过程中，也没有光的散焦。试验证明，用这种形式的光束所成的孔，较之用一般形式的光束其圆形的偏差要小34倍。1.4 小 结激光打孔经过二十几年的发展已逐渐成熟起来，并被越来越多的人们所认识、接受和采用。激光打孔的发展趋势有以下几个特点： 激光打孔朝着高速度、高效率方向发展。 激光打孔的深度不断增加。 用激光加工微米级小孔。 激光打孔材料多样化。 激光打孔的质量不断提高。第二章

14、激光打孔光学系统设计2.1 激光器3.1.1 激光器的选择激光器是光学部分中的核心元件，激光器的性能直接关系到光学部分乃至整个激光打孔机的性能，它的主要作用是将电源系统提供的电能以一定的转换效率转换成激光能。目前激光器的种类繁多，并且还在不断地涌现出新的激光器。但是，适用于激光加工的激光器，当前只有CO2激光器和掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器两种。在对于激光器的选择中，主要依据材料对激光能量的吸收率。任何材料对激光都有三种效果，即反射、透射和吸收。如果材料对激光波长的吸收率高，则激光的利用率就低。如果吸收率低，激光的能量大部分被反射或透射过工件而散失掉，那么激光的利用率就低。对于激光打孔的材料

15、（钢）的吸收率，10.6微米的CO2激光器反射率很高，几乎不吸收，而1.06微米的YAG激光器吸收率较高；对于塑料材料，10.6微米的CO2激光器比1.06微米的YAG激光器吸收率高很多。所以本课题的激光打孔机选用YAG激光器，其工作方式有脉冲和连续两种，在本论文中采用脉冲方式，脉冲宽度为100，打微孔功率为20100毫焦，打孔大一些的功率为12焦。2.1.2 YAG激光器的特点1、YAG激光器具有许多不同于CO2激光器的良好性能： 它输出的波长为1.06m，恰好比CO2激光器波长10.6m小一个数量级，因而使用与金属的耦合效率高、加工性能良好（一台800W YAG激光器的有效功率相当于3kW

16、 CO2激光器功率）； YAG激光器能与光纤耦合，借助时间分割和功率分割多路系统能方便地将一束激光传输给多个工位或远距离工位，便于激光加工实现柔性化； YAG激光器能以脉冲和连续两种工作方式，其脉冲输出可通过调Q和锁模技术获得短脉冲及超短脉冲，从而使其加工范围比CO2激光器更大； YAG激光器结构紧凑、重量轻、使用简便可靠、维修要求较低，故其应用前景看好。2、YAG激光器的主要缺点是： 其转换效率较低，仅为13，这比CO2激光器的效率约低一个数量级； YAG激光棒在工作过程中存在内部温度梯度，因而会引起热应力和热透镜效应，限制了YAG激光器平均功率和光束质量的进一步提高； YAG激光器每瓦输出

17、功率的成本费比CO2激光器贵。2.2 光学设计2.2.1光学设计中的方法用光线光路计算方法求光学系统的象差值以判定其成象质量，首先必须知道该系统的结构参数（、）。这个结构可能是象差已经校正的可用结果，也可能是供象差校正用的初始结构。当光学系统的各个薄透镜组的光焦度及它们相互间的位置为已知时，第一、二近轴光线在各个光组的入射高度和也就确定了。每个薄透镜组的初级象差由和两个参量确定。故称和为薄透镜组的象差参量，或象差特性参数。利用、求薄透镜系统的初始解的过程为：首先对整光学系统作外形尺寸计算，求出各个光组上的光线入射高度和，光焦度和拉赫不变量等；再根据对各个透镜组的象差要求按薄透镜系统象差公式求出

18、各薄透镜组的象差参量、；最后，由、确定各个薄透镜组的结构参数。任何光学系统或光组的象差参量表达式均可分为两部分。一部分称为内部参数，是指光组各个折射面的曲率半径，折射面间的间隔和折射面间介质折射率.另一部分参数称为外部参数，是指物距、,焦距，半视场和相对孔径等。2.2.2单个透镜的和对于单个薄透镜，设光阑与之重合，由式=、=和式= 、，得=由垂轴球差公式和初级正弦差公式，得M个相接触薄透镜的和 = (21) (22)展开式中的A和B，得 A=+ B=若透镜在空气中,，并设，以上的A和B的表达式中的有关因子可表示为： (23)将上式中的有关因子代入A和B的表达式中，经整理后得 + (24) (2

19、5)同理，也可以用来表示单薄透镜的A和B + (26) (27)由以上公式可知，薄透镜的初级球差，初级正弦差除与物体位置，透镜玻璃折射率有关外，还与透镜形式有关。当物体位置和玻璃折射率已经确定，保持光焦度不变时，改变透镜形状（称为整体弯曲），其球差按二次抛物线规律随的改变而改变；正弦差按直线规律随的改变而改变。在光学设计中常用这种方法使某种象差符合要求。下面以物体在无限远时（）的情况为例讨论初级球差和初级正弦差随透镜形状变化的性质。当时，初级球差和初级正弦差按和及式（34），（35）写为： （28)由于初级球差是以为参变量的二次抛物线，应有极值存在，使式（38）对进行一次和二次求导，得因透镜在

20、空气中，且物体在无限远，上二式可写为 显然，当>0（正透镜）时，<0，球差有极大值；当<0（负透镜）时，>0，球差有极小值。为求球差的极小值以及透镜相应的形式，令，得 （29a）把代入初级球差表达式中，得球差的极值为： (29b）由上式知，的正负，对于正透镜>0，为负，且为极大值（绝对值为极小）。对于负透镜<0，为正，且为极小值（绝对值最小）。设，以正透镜为例，对于不同的弯曲状况计算出初级球差和初级正弦差，列于表31，并绘成曲线如图31所示。图a为正透镜的初级球差和初级正弦差。图b为负透镜的初级球差和初级正弦差（略去了数据，图中只画出折射率的情况下的和曲线）

21、。由上图和表可知：1. 处于最小球差值的透镜称为最优良形式，一般说来，透镜的折射率为最优良形式时，正弦差也接近于零。2. 透镜的光焦度和入射高度一定时，透镜的折射率增高，曲率减小，最小球差值也减小。这是由折射面的相对孔径减小所致。3. 对于一定焦距和相对孔径的薄透镜，其最小球差值仅由玻璃折射率决定，是一个常量，因此，单透镜不能自身校正球差。 4. 同一透镜对不同位置的物体成象，球差和正弦差值是变化的。5. 透镜的最优良形式随物体位置不同而不同。如凸面朝向物体的平凸透镜只对无限远的物体是近于最优良形式的，但对近距离物体，它就不是最优良形式了。计算证明，当放大率为-1时的最优良形式的透 图21 a

22、 正透镜的初级球差和初级正弦差 b 负透镜的初级球差和初级正弦差表31正透镜对于不同的弯曲状况计算出的初级球差和初级正弦 图32 放大倍率为-1倍的聚光镜中二透镜处于最优良形式镜为二曲率半径相等的双凸透镜。在一些象差要求不高的系统中，如照明系统，常用处于最优良形式的透镜来组成，例如图32中所示的放大率的聚焦镜，用两块凸面相对的平凸透镜构成，二透镜中间为平行光，即两块透镜均处于最优良形式。本论文中的单透镜就采用此法求得初始结构。1、已知： 当d=0.2 ,=3mrad,=66.667， 图23 单透镜打孔光路示意图求得初始结构为：R1=10.0289 d1=5 SF4R2=196 d2=11.3

23、5 优化前的波前图、传递函数、点列图等各图形如下： 图24 波前图图25 传递函数 图26 点列图优化后的波前图、传递函数、点列图等各图形如下：图27 波前图图28 传递图29 点列图2、当d=0.3mm, =3mrad.=100，优化后的波前图、传递函数、点列图等各图形如下：图210波前图图211 传递函数曲线图2-12 点列图3.3 小结 图2-13 激光打孔机外光路系统示意图1标准光栏；21.06过滤片；3转镜；4聚焦透镜；5工件；A激光束；B扩束；C扩展光束；f焦距激光打孔用光学系统的主要功能是：将激光输送到加工部位，调整辐射参数，构成高功率密度的光束，通过目视使激光对准加工点，控制加工过程，估计加工结果。具体功能如下（见上图315）：1、改变打孔用激光器发出光的输出方向，将激