怎样利用短脉冲激光器进行精确螺旋状钻孔

电子元件、医疗设备、传感器、计算机、航空电子等设备的制造商需要一些零件，它们具有微型尺寸，复杂的外形和小孔形状。纺织工业使用的喷丝头和火车 柴油机的喷油嘴就是这样的例子，这两个实例都是金属零件，在上面钻了精细的小孔。这些典型的小孔尺寸为50-100μm，小孔深度达2mm。

　　与线切割放电加工，化学蚀刻，机械加工/切割，电铸，以及其他加工技术相比，激光打孔设备的性能要好，这是因为激光加工是非接触式的，并且更灵活。此外，加工过程所受的限制更少，不需要进行昂贵的废弃物处理，工具的成本也更合理。与放电加工相比，激光打孔能够得到更高的长度直径比，此外，它能够对各种材料进行打孔，包括陶瓷，硅，钻石和聚合物。

图1 用于打孔的光学装置

　 　由于使用了灵活的激光光束来扫描，甚至非圆形且具有复杂外形的小孔都可以得到。在制造尺寸很小的孔的方面，已经有一系列非接触、无摩擦的技术，它们使用 了紧密聚焦的光束，这些技术已经在微电子制造工艺和发动机零件的制造中建立了一定地位。如果小孔必须是圆锥形，将遇到特别的困难，因为在打孔方向上直径不 断在增加。这种几何形状在一些零件中是需要的，比如喷嘴组件，它们从反向是无法达到的。科学家已经开发 了这样的打孔技术，使用了一种新型的精确打孔的光学装置，它能够提供很高的扫描速度，且能得到的小孔几何准确率更高。

图2 60ìm的小孔

　 　使用激光辐射来打孔已经在各种工业应用中已确立其地位。激光技术从手表工业首先开始其应用。当需要在节能条件下得到高深宽比的小孔时，比如在气体涡轮机 制造中的冷却小孔，或者在燃料供给系统中的过滤器，都使用了激光，它已成为一个普遍的工具。在这些应用中，应用脉宽为几个微秒的单脉冲进行激光钻孔或者冲 击钻孔能够得到的钻孔速度较高。但是因为激光加工主要是个加热过程，激光钻孔导致孔内残留有熔化层。由高强度的激光脉冲熔化或者汽化的材料在被自己的蒸汽 传送出去以前，会在孔壁上凝结或者重铸。在冲击钻孔中更是如此，这里激光束没有移动，总是打在同一个地方，这导致所产生的熔化体积很大。更短的脉冲（在飞 秒和皮秒量级）所产生的热渗透深度更浅，然而仍然会残留熔化层。但是，使用这类激光器时，生产率很低，这是因为在脉冲能量高的情况下，激光功率不够。  
       
　 　使用称为螺旋式打孔/穿孔法的打孔技术就可以克服这些质量和生产率方面的限制。在这个技术中，使用了紧密聚焦的短脉冲激光束，沿着中心点旋转，严格的描 绘出小孔的几何外型。打孔过程中，每一小部分材料相继的被蒸发，范围限定得很好的激光脉冲被旋转和重叠使用。使用这项打孔技术时，在整个打孔过程中，孔壁 一直被加热，这就阻止了重新凝固的过程和白色厚层的产生。使用了这项技术，甚至在纳秒范围的“长”脉冲也可以被使用，从而使得较大量材料的蒸发和更高的生 产率成为可能，能够得到使用皮秒脉冲才能得到的效果。螺旋式打孔的光学装置取决于激光束的可聚焦性，它能够在厚度为1mm的材料上打出直径达30微米的圆 形小孔。 

为了进行螺旋式打孔，专门打孔的光学装置能够以可变的旋转直径来对激光光 束进行旋转。过去已取得了几项进展用来实现激光束旋转的高精度，它们使用了传统的振镜扫描仪，旋转楔形棱镜，以及离轴旋转透镜。所有这些设备都需要高光束 质量，并要求激光光束转动时绝对对称。若为椭圆型的激光束或者在形状上有其他偏差，将产生不圆的小孔。此外，这些设备的扫描频率的最大值是3000转/分 钟。在这个扫描频率下，孔壁的连续加热无法得到保证，或者说，在激光器的高重复频率下会产生过热现象。  
       
　 　为了克服这个问题，激光技术研究中心研制了一种新型的激光打孔头。光束旋转棱镜，即所谓的道威棱镜被用来实现激光光束的旋转，它被 安装到一个空心轴传动高速电动机上。 激光束被严格的调整，对准道威棱镜的中心，当旋转棱镜一次的时候，激光就旋转两次。若相对于旋转轴将激光光束倾斜，通过聚焦透镜后，光束将在激光光束旋转 的方向上刻画出一个圆形。在与旋转轴平行的方向上移动激光光束，激光光束将以一定的入射角来刻画圆形。双锥型旋转光束深入到材料内部较深处，像螺旋式的阶 梯，在底部变得更宽。棱镜特有的几何形状也导致激光光束可以沿着轴向以电动机两倍的速度旋转，达到每秒660次/每秒。这就补偿了当光束辐射到表面时激光 强度的波动，得到了质量很高的小孔。使用这项技术，可以得到圆锥形的小孔（正负锥角均可）。只有使用专门的调整设备，才可能使用道威棱镜作为光束旋转器和 扫描设备，该调整设备与道威棱镜安装在一起可以补偿光束旋转器的典型误差，即导致小孔不圆的误差。

图3 小孔样品

　　新开发的钻孔光学装置使得激光光束的旋转频率可以达到40000转/分钟。能够在2mm厚的材料上打直径比高达2的锥形小孔。新型光学装置的主要优势是扫描频率很高，用来设置直径和激光光束倾角的所有设备都不旋转，此外，搭建时只要它们能提供很高的精度即可。

图4 螺旋式打孔入口处

　 　使用这一光学装置和调Q的Nd:YAG激光器（脉宽15纳秒，脉冲能量600到800μJ），Fraunhofer激光技术研究中心的研究人员加工了有 2毫米厚的工具钢和高等级钢。在少于25秒的时间内，脉冲激光穿透金属薄板，打了一个直径为50微米的小孔。小孔中残留的熔化层厚度仅有1-2μm，材料 顶部熔化物可以通过超声波清洗方便地去除。在金属组件上进行直径范围在几个微米内的高精度打孔时通常都使用短脉冲，或者超短脉冲激光。使用这个新型的激光 打孔头，就可以使用纳秒激光器，这就使得在生产成本较低时，生产率能够较高。使用更短波长的脉冲（绿色或者紫外）能够得到更小的光斑尺寸，在一些经挑选的 材料上，小孔直径可以达到10-20μm。到目前为止，检验了厚度达2mm的工具钢和高级钢。要得到这些几何形状，又实现精度要求，对于传统型打孔来说必 须花大量开支才能实现。在这些方面，这一技术找寻到了潜在的应用领域。

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