一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔系统及钻孔方法

摘要

本发明公开了一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔系统及其方法，多束钻孔激光束经过高速旋转调制并进行激光合束后，输出旋转对称轴线空间平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴)的旋转钻孔激光束组，然后经过振镜扫描平场聚焦模块，在待加工工件上形成旋转的旋转激光聚焦焦点组，旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点旋转轨迹为同心圆或者近似同心圆，旋转激光聚焦焦点组从时间与空间两个维度对待加工工件的同一加工孔位进行加工，成倍提高激光钻孔效率，结合扫描振镜将激光聚焦焦点组在孔与孔之间进行高速位置切换等技术，实现高效高精度高质量激光钻孔。

说明书

技术领域

本发明涉及激光钻孔加工技术领域，具体涉及一种旋转对称轴平行的旋 转光束组钻孔系统及钻孔方法。

背景技术

目前的激光钻孔，在一个钻孔位置上的钻孔，基本都是从激光光源的脉 冲重复频率的提高、激光光束整形、光束扫描的速度的提高几个方面考虑， 对于激光光源的脉冲重复频率的提高，已经从当初几十千赫兹提升到一兆赫 兹或者更高；激光光束整形则被更多人尝试，主要是平顶光斑的应用；光束 扫描已经从振镜扫描提升到电光扫描、声光扫描、高速旋转扫描等，但是电 光扫描与声光扫描在器件的热稳定性变化带来的扫描位置精度的变化方面 面临一些困难，高速旋转扫描不能够解决扫描孔径的变化。不论如何，在于 一个具体的微孔钻孔，上述思路一致围绕激光光源、激光光束变换、激光光 速旋转扫描这个思路进行，这是一种串行思维模式，是局限在“单车道”上 面解决问题，本发明跳出串行思维模式，采用了并行思维模式，即“多车道” 思维模式,从时间与空间两个空间考虑解决不同孔径的阵列微孔特别是阵列 盲孔的高速扫描问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种旋转对称轴平行的旋转光束组 钻孔系统及钻孔方法，能够弥补现有技术的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔系统，包 括包括激光器组、激光束旋转调制器组、激光合束器、振镜扫描平场聚焦模 块、激光钻孔同步控制模块和待加工工件；

所述激光器组，包括至少一个激光器，用于发射两束或两束以上的钻孔 激光束；

所述激光束旋转调制器组，包括两个或两个以上的激光束旋转调制器， 每一个激光束旋转调制器对应一束钻孔激光束，每一个所述激光束旋转调制 器，用于对对应的钻孔激光束进行运动空间调制，获得对应的旋转钻孔激光 束，并入射激光合束器，其中，每一束旋转钻孔激光束的光轴与该旋转钻孔 激光束的旋转对称轴之间的夹角大于0弧度小于20毫弧度；

所述激光合束器，用于对入射的多束旋转钻孔激光束进行合束，输出旋 转钻孔激光束组，其中，合束后的旋转钻孔激光束组内的多束旋转钻孔激光 束光轴空间旋转对称轴之间空间平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴)， 所述近似平行(含近似同轴)是指所述旋转钻孔激光束组内各旋转钻孔激光 束间的光轴旋转对称轴之间的空间夹角小于1毫弧度；

所述振镜扫描平场聚焦模块，包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述旋 转钻孔激光束组入射扫描振镜后输出振镜扫描光束组，所述振镜扫描光束组 入射扫描平场聚焦镜，获得旋转激光聚焦焦点组，其中，所述旋转激光聚焦 焦点组内各激光焦点中心的运动轨迹为同心圆或者近似同心圆，所述近似同 心圆是指旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点中心运动圆形轨迹的圆心离散 度小于50微米，所述同心圆或者近似同心圆的直径小于300微米；所述扫 描振镜，用于控制振镜扫描光束组高速切换进而控制旋转激光聚焦焦点组在 待加工工件的不同加工孔位之间进行高速切换，或者，用于在待加工工件的 一个加工孔位对旋转激光聚焦焦点组进行辅助运动调制；

所述激光钻孔同步控制模块，用于控制所述激光器组、激光束旋转调制 器组和振镜扫描平场聚焦模块之间协同动作。

其中，所述激光器组，包括至少一个激光器，如果是一台激光器，指该 激光束输出光束可以分束为多光束，可以由所述激光钻孔同步控制模块直接 控制激光器开关光，或者采用外调制光开关分别控制每一束光束的开关光， 所述外调制光开关也由所述激光钻孔同步控制模块控制。

本发明的有益效果为：多束钻孔激光束经过高速旋转调制并进行激光合 束后，输出旋转对称轴线空间平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴) 的旋转钻孔激光束组，经过振镜扫描平场聚焦模块，在待加工工件上形成旋 转的旋转激光聚焦焦点组，旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点旋转轨迹为同 心圆或者近似同心圆，激光聚焦焦点组从时间与空间两个维度对待加工工件 的同一加工孔位进行加工，成倍提高激光钻孔效率，结合振镜扫描将激光聚 焦焦点组在孔与孔之间进行高速位置切换等技术，实现高效高精度高质量激 光群孔钻孔。

平行的激光束经相同角度入射平场聚焦镜，在入射角度与位置处于平场 聚焦镜入射范围内时，所有平行激光束的聚焦焦点空间重合,从光学的另一 个角度看，可以把所有平行光束看做一束激光束，经过聚焦后焦点当然只有 一个；经相同角度入射平场聚焦镜，在入射角度与位置处于平场聚焦镜入射 范围内时，所有旋转对称轴平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴)的 激光束的聚焦焦点的运动轨迹为同心圆或者近似同心圆；因此，所有上述旋 转激光束组可以对同一待加工的孔(特别是盲孔)进行加工，从时间与空间 两个方面直接成倍提高微孔加工速度，时间上是指这些钻孔激光束同时或者 先后对同一孔进行加工，空间上是指这些钻孔激光束的聚焦聚焦焦点旋转轨 迹是同心圆或者近似同心圆，都在一个孔位范围内对同一孔进行加工。这是 本发明的发明点。不同的光束旋转调制方式的组合，又体现出除了加工效率 以外的更多的群孔盲孔加工的优越性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述激光束旋转调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶 瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元 件或者电流计摆动折射棱镜光学元件中的任意一种或多种的串联组合。

所述任意一种或多种的串联组合是指种类而言，对于透射光束偏摆调制 方式或者反射光束偏摆调制方式而言，要形成旋转的光束，至少需要两个元 件串联，即声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反 射镜或摆动折射棱镜光学元件需要至少两件串联使用才可以实现光束旋转。

进一步的，还包括激光扩束器组，所述激光扩束器组包括两只或两只以 上的激光扩束器，所述钻孔激光束组内的每一束钻孔激光束对应一只激光扩 束器；

当所述激光束旋转调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动 反射镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件或电流计摆动折射棱镜光 学元件中的任意一种或多种的串联组合时，所述激光扩束器组位于所述激光 器组和激光束旋转调制器组之间，用于对激光器组发射的多束钻孔激光束进 行扩束；或者，所述激光扩束器组位于激光旋转调制器组和激光合束器之间， 用于对多束旋转钻孔激光束进行扩束；或者，所述激光扩束器组位于激光合 束器和所述扫描平场聚焦模块之间，用于对合束后的旋转钻孔激光束组进行 扩束；

当所述激光束旋转调制器为电流计驱动反射镜时，所述激光扩束器组位 于激光旋转调制器组和激光合束器之间，用于对多束旋转钻孔激光束进行扩 束；或者，所述激光扩束器组位于激光合束器和所述扫描平场聚焦模块之间， 用于对合束后的旋转钻孔激光束组进行扩束。

所述进一步的有益效果为：激光束旋转调制器组调制钻孔激光束的旋转 全角角度处于振镜高频扫描区间，使得振镜具备最高的往返扫描频率，经过 扩束倍率为N倍的激光扩束器的旋转摆动角度压缩，扩束后的旋转激光束的 旋转摆角变为扩束器入射光束旋转摆角的N分之一，这样，宏观的高速扫描 振镜高频往返扫描经过所述扩束器后获得精细角度分辨率的微观高速扫描， 既能够提高扫描频率，又获得精细角度扫描分辨率，非常适合于激光精密微 加工。

类似的思想是钻孔激光束扩束以后，电流计驱动折射棱镜光学元件扫描 钻孔激光束，由于摆动折射棱镜光学元件，透射的激光束摆动角度可以减少 为棱镜摆动角度的十分之一甚至千分之一，如此可以使得电流计工作在最佳 扫描频率范围内获得最快扫描频率，使得高速电流计的宏观扫描加工变为微 观扫描加工。激光扩束器的位置不同，对钻孔激光束光轴旋转全角设计时也 会有所改变，因为激光扩束器有旋转角度压缩功能，光束旋转角度压缩率理 论上为扩束器的倍率。

进一步，当所述激光束旋转调制器组为电主轴电机驱动旋转折射棱镜光 学元件和电流计驱动反射镜的并联组合，或者所述激光束旋转调制器组为电 主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件和电流计驱动折射棱镜光学元件的并 联组合时，所述旋转激光聚焦焦点组内激光焦点旋转形成的同心圆或者近似 同心圆轨迹中，中心的圆形轨迹由电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件对 透射钻孔激光束旋转形成，其他的圆形轨迹由电流计驱动反射镜对反射的钻 孔激光束旋转形成或者电流计驱动折射棱镜光学元件对透射的钻孔激光束 旋转形成。

所述进一步的有益效果为：旋转激光聚焦焦点组内各激光聚焦焦点运动 形成的同心圆轨迹中，中心圆形轨迹曲线的曲率太大，电流计驱动反射镜方 式，即传统振镜电机驱动振镜镜片方式的激光束旋转调制器无法完成高速的 扫描，即使电流计驱动反射镜低速旋转调制钻孔激光束，也存在用多边形无 限接近圆形的拟合过程，光束旋转调制效率低，效果也不好，因此中心圆形 轨迹曲线避免采用振镜扫描(电流计驱动反射镜方式)，而该中心圆形轨迹 由电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件对透射钻孔激光束旋转扫描，所获 得的圆形轨迹曲线平滑，如此一来，振镜扫描外围同心圆轨迹，具备柔性扫 描能力，可以扫描多圈同心圆轨迹，而电主轴电机驱动旋转折射棱镜扫描中 心同心圆轨迹，所扫描轨迹曲线光滑无比，这是一种非常完美的光束扫描组 合。

进一步的，在所述激光合束器与所述振镜扫描平场聚焦模块之间串入激 光折射扫描模块，所述激光折射扫描模块，包括两个或者两个以上串联的透 明棱镜光学元件，每一个透明棱镜光学元件安装在对应的振镜电机主轴上， 用于在振镜电机的驱动下进行摆动，以调整合束后的旋转钻孔激光束组的偏 移角度变化量，以及在所述激光钻孔同步控制模块的控制下，对合束后的旋 转钻孔激光束组进行复合扫描运动。

所述进一步的有益效果为：安装光学元件的电机主轴摆动同样的角度， 折射棱镜光学元件对透射光束的偏摆角度远远小于反射镜对反射光束的偏 摆角度，因此采用激光折射扫描模块，可以极大的提高光束偏摆复合运动的 精度，所述激光钻孔同步控制模块控制所述激光折射扫描模块对透射光束进 行复合偏摆运动，解决原有孔径不可连续调整问题。

进一步的，还包括加热与清洗激光器；所述加热与清洗激光器设置于所 述激光合束器之前，用于发射加热与清洗激光束；

所述加热与清洗激光束经激光合束器进入所述振镜扫描平场聚焦模块 时，其光轴与任一旋转钻孔激光束的光轴旋转对称轴之间的夹角小于1毫弧 度；所述加热与清洗激光束经过所述振镜扫描平场聚焦模块聚焦后获得激光 加热与清洗光斑，其中，所述旋转激光聚焦焦点组的运动轨迹处于该激光加 热与清洗光斑范围内；

当所述旋转激光聚焦焦点组对待加工工件进行扫描钻孔时，所述激光加 热与清洗激光光斑在所述旋转激光聚焦焦点组出光前或出光时对扫描钻孔 区域进行时空同步的激光加热与清洗预处理；或者，在所述旋转激光聚焦焦 点组出光时或关光后后对扫描钻孔区域进行时空同步的激光照射清洗。

所述进一步的有益效果为：所述时空同步，指在对待加工工件的具体孔 位钻孔时，在空间上，所述激光加热与清洗光斑与激光平场聚焦镜以及待加 工工件相对静止，所述旋转激光聚焦焦点组与待加工工件相对运动，所述旋 转激光聚焦焦点组仅限于在所述激光加热与清洗光斑范围内扫描钻孔，所述 激光加热与清洗光斑与所述聚焦焦点组运动轨迹在空间上是包含与被包含 的关系；在时间上，所述钻孔旋转激光束聚焦焦点组与所述激光加热与清洗 光斑相配合加工时，所述两类激光出光时序可以根据钻孔加工工艺的需要进 行调整，所述旋转激光聚焦焦点组对待加工工件进行扫描钻孔时，所述激光 加热与清洗光斑可在所述旋转激光聚焦焦点组出光前或者出光时对扫描钻 孔区域进行时空同步激光预处理，包括但不限于激光加热或者激光清洗或者 激光毛化，也可以在所述旋转激光聚焦焦点组出光时或者关光后对扫描钻孔 区域进行时空同步激光照射清洗。其好处是，一方面在激光密集钻孔领域引 入了时空同步激光加热与清洗以及激光毛化，提高了钻孔激光束的钻孔效 率，也提高了钻孔质量；另一方面，也并没有因为引入激光预处理与清洗光 束而增加了激光钻孔期间激光聚焦系统与待加工材料的相对运动工时，因为 所述两束激光激光焦点在钻孔位置是时空同步的，所述加热与清洗激光只要 出光，激光焦点就覆盖了所述钻孔激光束焦点的运动轮廓范围，可以实时进 行空间同步激光清洗。

所述清洗指激光清洗，是指采用加热与清洗激光束照射工件表面，使得 表面的污物、颗粒、锈斑、材料毛刺等附着物发生瞬间蒸发或剥离，从而达 到清洁净化的工艺过程。其中激光预处理过程中的激光清洗，有利于减少所 述扫描钻孔光束进行后续加工中等离子体对扫描钻孔激光束的屏蔽；钻孔的 同时或者钻孔结束后的激光清洗，可以直接减少后续工序的超声波清洗或者 化学清洗工序工作量，甚至取消后续清洗工序，提高产品质量，降低产品成 本。

所述激光毛化，指采用加热与清洗光束对待钻孔区域进行材料表面毛 化，有利于待加工材料对所述扫描钻孔光束的吸收，因而提高后续钻孔加工 的效率与质量。

进一步的，所述激光合束器为平面合束器或者立方合束器或者平面反射 镜中的任意一种或多种的组合。

进一步的，所述激光钻孔同步控制模块能同时控制或选择性控制所述钻 孔激光束组内的各钻孔激光束的激光开关光时序、各钻孔激光束的激光脉冲 重复频率、各钻孔激光束的激光脉冲能量、各钻孔激光束的激光脉冲宽度、 各钻孔激光束的激光脉冲波形参数，其中，所述激光开关光时序是指各钻孔 激光束可同时出光，也可先后出光，可同时开光，也可先后开光。

进一步的，所述待加工工件由不同种类的薄材料叠加而成，所述钻孔激 光器组发射不同波长的多束钻孔激光束，所述激光钻孔同步控制模块控制钻 孔激光器组输出的不同波长的多束钻孔激光束的激光开关光的顺序，使得不 同波长的钻孔激光束对待加工工件的加工孔内的不同材料层进行加工。

所述进一步的有益效果为：本发明提供的系统是一个复杂系统，只有各 部分在时序上高度配合，在空间上高度重合，才可以发挥出强劲的加工能力， 高新尖的技术的实现需要很好的技术平台，所述激光钻孔同步控制模块充当 了指挥中心角色。

一个典型的例子，多层线路板，就是有多层不同材料叠加而成，不同层 的材料，所采取的激光加工工艺参数差别很大。

进一步，在所述激光钻孔同步控制模块控制下，所述激光束旋转调制器 对所对应钻孔激光束进行多圈旋转调制，且在此过程中所对应的钻孔激光束 可以以不同的激光脉冲能量或不同的激光脉冲宽度或不同的激光脉冲波形 或不同的脉冲重复频率变化出光。

所述进一步的有益效果为：对于孔深方向不同的待钻材料层，可以采用 不同的激光参数进行加工，提高了加工质量和激光加工工艺的针对性。

另一方面，本发明提供了一种旋转对称轴平行的旋转光束组钻孔方法， 包括以下步骤：

S1、激光钻孔同步控制模块控制振镜扫描平场聚焦模块对待加工工件的 待加工孔位进行定位；

S2、激光钻孔同步控制模块控制激光器组同时发射多束钻孔激光束或者 按照一定的时序先后发射多束钻孔激光束或者选择性发射多束钻孔激光束；

S3、激光钻孔同步控制模块控制激光旋转调制器组对多束钻孔激光束进 行空间旋转调制，获得对应的多束旋转钻孔激光束，并入射激光合束器；其 中，每一束旋转钻孔激光束的光轴与该旋转钻孔激光束的旋转对称中心轴之 间的夹角大于0弧度且小于20毫弧度；

S4、激光合束器对入射的多束旋转钻孔激光束进行合束，输出旋转钻孔 激光束组，其中，旋转钻孔激光束组内的各旋转钻孔激光束的旋转对称轴空 间夹角小于1毫弧度；

S5、旋转钻孔激光束组经振镜扫描平场聚焦模块聚焦获得旋转激光聚焦 焦点组，对待加工工件的待加工孔位进行钻孔加工，其中，所述旋转激光聚 焦焦点组内各激光焦点中心的运动轨迹为同心圆或者近似同心圆，所述近似 同心圆是指旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点中心运动圆形轨迹的圆心离 散度小于50微米，所述同心圆或者近似同心圆的直径小于300微米；

S6、当所述旋转钻孔激光束组对代待加工工件的当前加工孔位加工完毕 后，返回步骤S1。

本发明的有益效果为：多束钻孔激光束经过高速旋转调制并进行激光合 束后，输出旋转对称轴线空间平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴) 的旋转钻孔激光束组，经过振镜扫描平场聚焦模块，在待加工工件上形成旋 转的旋转激光聚焦焦点组，旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点旋转轨迹为同 心圆或者近似同心圆，激光聚焦焦点组从时间与空间两个维度对待加工工件 的同一加工孔位进行加工，成倍提高激光钻孔效率，结合振镜扫描将激光聚 焦焦点组在孔与孔之间进行高速位置切换等技术，实现高效高精度高质量激 光钻孔。

在上述基础方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，还包括：

采用激光扩束器对激光器组发射的多束钻孔激光束进行扩束；或者，

采用激光扩束器对多束旋转钻孔激光束进行扩束；或者，

采用激光扩束器对合束后的旋转钻孔激光束组进行扩束。

进一步的，采用激光折射扫描模块对合束后的旋转钻孔激光束组的偏移 角度变化量进行调整，以及对合束后的旋转钻孔激光束组进行复合扫描运 动。

进一步的，还包括：

当所述旋转激光聚焦焦点组对待加工工件进行扫描钻孔时，采用激光加 热与清洗激光束在所述旋转激光聚焦焦点组出光前或出光时对扫描钻孔区 域进行时空同步的激光加热与清洗预处理；或者，在所述旋转激光聚焦焦点 组出光时或关光后对扫描钻孔区域进行时空同步的激光照射清洗。

本发明的工作原理如下：

本发明采用了平场聚焦镜作为平场扫描聚焦手段，包括普通平场扫描聚 焦镜和远心平场扫描聚焦镜，所述普通平场扫描聚焦镜或者远心平场扫描聚 焦镜对光束进行聚焦后，激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离与 平场扫描聚焦镜焦距成正比，与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜 光轴夹角或者夹角的变化值成正比，一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚 焦镜焦距就确定，那么激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离理论 上只与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角变化 值成正比。所有平行激光束在入射同一个平场聚焦镜且平行激光束入射平场 聚焦镜的方位(角度与位移)均在所述平场聚焦镜设计范围内时，所有平行 入射的激光束均聚焦于平场聚焦镜焦平面上同一个点，如果所述入射激光束 之间近似平行，那么所有近似平行入射激光束均聚焦于平场镜焦平面上同一 个点附近，本发明要求这些激光聚焦焦点中心之间的离散度小于50微米。

在空间上，多束钻孔激光束聚焦且所对应的激光焦点进行同心圆或者近 似同心圆运动，在空间上集中于同一孔位加工。本发明采用了激光束旋转调 制组，所述激光束旋转调制组内的每个激光束旋转调制器对应所述钻孔激光 束组的一束钻孔激光束，用于对所述钻孔激光束进行运动空间调制，获得旋 转钻孔激光束，每一束旋转钻孔激光束的光轴与该光束旋转对称轴之间夹角 大于零弧度小于20毫弧度，每一束旋转钻孔激光束光轴与旋转对称中心轴 之间夹角一旦设计确定，该旋转钻孔激光束的焦点在待加工工件上的旋转直 径就确定了。所述旋转钻孔激光束入射所述激光合束器模块；所述激光合束 器模块，用于对入射的旋转钻孔激光束进行合束，输出旋转钻孔激光束组， 且所述旋转钻孔激光束内各光束空间旋转对称轴线空间平行(含同轴)或者 近似平行(含近似同轴)，所述近似平行(含近似同轴)指所述旋转钻孔激 光束的光轴空间旋转对称轴线之间的空间夹角小于1毫弧度；根据平场聚焦 镜聚焦原理，本发明采用了钻孔激光束组并行出光，所有钻孔激光束经过光 路传输变化最终形成钻孔激光束旋转激光聚焦焦点组，所述旋转激光聚焦焦 点组所有激光焦点均作用于同一微孔；所述旋转激光聚焦焦点组的各激光焦 点中心的运动轨迹为同心圆或者近似同心圆，所述近似同心圆指各旋转钻孔 激光束聚焦焦点中心运动圆形轨迹的圆心离散度小于50微米，所述同心圆 或者近似同心圆的直径小于300微米，所述聚焦焦点组的各激光焦点中心的 运动圆形轨迹的直径可以相同，可以不同。

每一束旋转钻孔激光束的光轴与该旋转钻孔激光束的旋转对称轴之间 的夹角大于0弧度小于20毫弧度，该范围明确了旋转激光聚焦焦点组的焦 点中心同心圆轨迹的大小，该大小尺寸处于激光微加工范畴。

所述近似平行(含近似同轴)是指所述旋转钻孔激光束组内各旋转钻孔 激光束之间的光轴旋转对称轴之间的空间夹角小于1毫弧度，该角度范围决 定了近似同心圆个远心的离散度的大小，只有旋转激光聚焦焦点组内各激光 焦点运动足够集中才有意义。

在时间上，所述激光钻孔同步控制模块控制所述钻孔激光束组、激光束 旋转调制组、振镜扫描平场聚焦模块协同动作，多束钻孔激光束同时或者先 后对同一孔位进行加工；所述激光钻孔同步控制模块可以同时控制或者选择 性控制所述钻孔激光束组内各激光束的激光开关光的时序、激光脉冲重复频 率，激光脉冲能量参数，激光脉冲宽度，激光脉冲波形；所述激光开关光时 序是指各激光束可以同时出光，也可以先后出光，可以同时关光，也可以先 后关光。

所述激光束旋转调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶瓷驱动反 射镜或电流计驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件或者电 流计摆动折射棱镜光学元件或其中任意两者或多者的组合。

扫描振镜控制旋转激光聚焦焦点组在不同加工孔位之间的高速切换，或 扫描振镜在一个加工孔位对旋转激光聚焦焦点组进行辅助运动调制。

当所述激光束旋转调制器为电流计驱动反射镜时，本发明将扩束器组置 于激光束旋转调制组与激光合束器模块之间，也可以置于激光合束器模块与 所述振镜扫描平场聚焦模块之间。由于扩束器的扩束准直作用，扩束器对所 述电流计驱动反射镜的高频率扫描的激光光束扫描角度进行了压缩，因而获 得精细分辨率的光束摆角角度，经过所述光束平场聚焦模块后，获得精细的 激光焦点位移分辨率。最重要的是，这种方式使得电流计工作在最佳扫描频 率范围内获得最快扫描频率，使得高速电流计的宏观扫描加工变为微观扫描 加工，而电流计的宏观扫描时每秒单位扫描字符数能力远远高于直接扫描精 细字符能力，这样实现了比激光先扩束后采用振镜扫描的传统方案高出若干 倍的激光微加工扫描能力。

本发明的有益效果可以总结为一下几点：

1、高速旋转的激光束组经过激光合束后，形成旋转对称轴平行(含同 轴)或者近似平行(含近似同轴)的旋转钻孔激光束组；所述旋转钻孔激光 束组经过平场聚焦镜聚焦后，在焦平面上形成旋转运动的激光聚焦焦点组； 所述激光聚焦焦点组内各激光焦点中心轨迹为同心圆或者近似同心圆，在时 间与空间上对同一孔位进行钻孔加工，从时间与空间两个维度极大提高了单 孔钻孔效率；辅以振镜扫描，把激光聚焦焦点组从一个孔位快速切换到另一 个孔位，极大提高了密集群孔微孔加工效率，特别是群孔的盲孔加工效率。

2、不同的光束旋转调制方式有各自不同的优势，所述激光束旋转调制 器可以为声光偏转器，也可以为电光偏转器，这种方式可以实现高速激光旋 转调制，但是存在一定的缺点，成本有些高，热稳定性比较难以控制，扫描 控制系统比较复杂；所述激光束旋转调制器也可以为空心电主轴电机驱动旋 转折射光学元件，这种方式控制系统比较简单，所旋转的圆形轨迹真圆度高， 只需要一定压力的洁净空气，光学镜片保护需要做些工作，相对而言这是比 较好的一种方式；所述激光束旋转调制器电流计驱动反射镜或者折射棱镜光 学元件，电流计的宏观扫描时每秒单位扫描字符数能力远远高于直接扫描精 细字符能力，把电流计振镜放在扩束器之前的这种方式，使得电流计工作在 最佳扫描频率范围内获得最快扫描频率，使得高速电流计的宏观扫描加工变 为微观扫描加工，这样实现了比激光先扩束后采用振镜扫描的传统方案高出 若干倍的激光微加工扫描能力；类似的思想是钻孔激光束扩束以后，电流计 驱动折射棱镜光学扫描钻孔激光束，同样可以使得电流计工作在最佳扫描频 率范围内获得最快扫描频率，使得高速电流计的宏观扫描加工变为微观扫描 加工。

3、旋转激光聚焦焦点组各焦点运动形成同心圆或者近似同心圆轨迹， 在所述钻孔激光束扩束之前，电流计驱动反射镜扫描钻孔激光束，或者在所 述钻孔激光束扩束以后，电流计驱动折射棱镜光学扫描钻孔激光束，使得钻 孔激光束对应激光焦点扫描外围同心圆或者近似同心圆轨迹，具备柔性扫描 能力，还可以扫描多圈同心圆轨迹，而所述电主轴电机驱动旋转折射棱镜扫 描中心同心圆轨迹，所扫描轨迹曲线光滑无比，这是一种非常完美的光束扫 描组合。

附图说明

图1为本发明实施例1的四钻孔激光束合束钻孔系统结构示意图；

图2为本发明实施例2的四钻孔激光束合束钻孔系统结构示意图；

图3为本发明实施例3的两钻孔激光束合束钻孔系统示意图；

图4为本发明实施例4的双空心电主轴并联旋转激光双光束合束钻孔系 统示意图；

图5为本发明实施例5空心电主轴与摆角压缩振镜并联旋转激光双光束 合束钻孔系统示意图；

图6为本发明实施例6的摆角压缩双振镜并联旋转激光双光束合束钻孔 系统示意图；

图7为四钻孔激光光束最终形成的旋转激光聚焦焦点组示意图；

图8为两钻孔激光光束最终形成的旋转激光聚焦焦点组示意图；

图9为本发明实施例7的一种旋转对称中心轴平行的旋转光束组钻孔方 法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光器组，11、P偏振端激光器组，111、第一激光器，112、第二激 光器，113、第一钻孔激光束，114、第二钻孔激光束，12、S偏振端激光器 组，121、第三激光器，122、第四激光器，123、第三钻孔激光束,124、第 四钻孔激光束；2、激光扩束器组，21、P偏振端激光扩束器组，211、第一 激光扩束器，212、第二激光扩束器,213、第一扩束激光束，214、第二扩束 激光束，22、S偏振端激光扩束器组，221、第三激光扩束器,222、第四激光 扩束器,223、第三扩束激光束,224、第四扩束激光束；3、激光束旋转调制 组，31、P偏振端激光束旋转调制器组，311、第一激光束旋转调制器，312、 第二激光束旋转调制器,313、第一旋转钻孔激光束，314、第二旋转钻孔激 光束，32、S偏振端激光束旋转调制器组，321、第三激光束旋转调制器,322、 第四激光束旋转调制器,323、第三旋转钻孔激光束,324、第四旋转钻孔激光 束；4、激光合束器，41、P偏振端激光合束器，411、第一反射合束镜，412、 第一反射合束光束,413、第一激光合束元件，414、P偏振端激光收集器，415、 P偏振端激光合束入射光束，42、S偏振端激光合束器，421、第二反射合束 镜，422、第二反射合束光束,423、第二激光合束元件,424、S偏振端激光收 集器，425、S偏振端激光合束入射光束，426、第三反射合束镜，43、偏振 激光合束元件，44、旋转钻孔激光束组；5、激光折射扫描模块，501、第一 折射光学棱镜，502、第二折射光学棱镜，503、折射扫描模块第二电机主轴， 504、折射扫描模块第二电机，505、复合运动旋转钻孔激光束组；6、振镜 扫描平场聚焦模块，601、扫描振镜第二电机主轴，602、扫描振镜第二反射 镜，603、扫描振镜第一反射光束，604、扫描振镜第一电机，605、扫描振 镜第一电机主轴，606、扫描振镜第一反射镜；7、振镜扫描光束组，8、平 场扫描聚焦镜，9、平场聚焦钻孔光束组，10、待加工工件；200、加热与清 洗激光束，201、加热与清洗激光器，202、光轴与钻孔激光束旋转对称轴平 行的加热与清洗激光束，203、振镜扫描输出的加热与清洗激光束；81、钻 孔第四环，82、钻孔第三环，83、钻孔第二环，84、钻孔第一环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、四激光束合束钻孔系统。下面结合图1以及图7对本实施例 提供的系统进行详细说明。

图1为四激光束合束钻孔系统示意图，如图1所示，本实施例提供的系 统包括激光器组1、激光扩束器组2、激光束旋转调制器组3、激光合束器4、 振镜扫描平场聚焦模块6和待加工工件10以及激光钻孔同步控制模块(图中 未标示)。

所述激光器组1包含P偏振端激光器组11与S偏振端激光器组12，所 述P偏振端激光器组11包含第一钻孔激光束113和第二钻孔激光束114，所 述S偏振端激光器组12包含第三钻孔激光束123和第四钻孔激光束124。

所述钻孔激光束组内各钻孔激光束的激光波长、激光脉冲重复频率、脉 宽、脉冲能量、光束质量因子、脉冲波形等参数可以相同，也可以不同。

所述激光扩束器组2包含P偏振端激光扩束器组21和S偏振端激光扩 束器组22，所述P偏振端激光扩束器组21包含第一激光扩束器211和第二 激光扩束器212,所述第一钻孔激光束113经第一激光扩束器211扩束输出第 一扩束激光束213，所述第二钻孔激光束114经第二激光扩束器212扩束输 出第二扩束激光束214；所述S偏振端激光扩束器组22包含第三激光扩束器 221和第四激光扩束器222,所述第三钻孔激光束123经第三激光扩束器221 扩束输出第三扩束激光束223，所述第四钻孔激光束124经第四激光扩束器 222扩束输出第四扩束激光束224。

所述激光束旋转调制器组3包含P偏振端激光束旋转调制组31和S偏 振端激光束旋转调制组32，所述P偏振端激光束旋转调制组31包含第一激 光束旋转调制器311和第二激光束旋转调制器312，所述第一扩束激光束213 经所述第一激光束旋转调制器311旋转调制，输出第一旋转钻孔激光束313， 所述第二扩束激光束214经所述第二激光束旋转调制器312旋转调制，输出 第二旋转钻孔激光束314；所述S偏振端激光束旋转调制组32包含第三激光 束旋转调制器321和第四激光束旋转调制器322，所述第三扩束激光束223 经所述第三激光束旋转调制器321旋转调制，输出第三旋转钻孔激光束323， 所述第四扩束激光束224经所述第四激光束旋转调制器322旋转调制，输出 第四旋转钻孔激光束324。

所述激光束旋转调制器可以为声光偏转器，也可以为电光偏转器，也可 以为压电陶瓷驱动反射镜或电流计驱动反射镜或者折射棱镜光学元件，还可 以为空心电主轴电机驱动旋转折射光学元件，或者为前述这几种中的任意两 种或两种以上组合。

比如，当激光束旋转调制器为声光偏转器时，声光偏转器通过改变声光 偏转器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入 射激光传输方向，至少两个声光偏转器串联起来即可实现激光光束的旋转运 动调制；当激光束旋转调制器为电光偏转器时，电光偏转器利用电光晶体折 射率随电压而改变的特性，沿垂直于电光偏转晶体生长方向施加外加电压， 使电光偏转晶体沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体 内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转，则连续改 变外加电压就会连续改变光束的偏转角，至少两个电光偏转器串联起来即可 实现激光光束的旋转运动调制；当激光束旋转调制器为空心电主轴电机驱动 旋转折射光学元件时，所述所述空心电主轴电机的转子包括轴向空心的空心 电主轴和围绕在所述空心电主轴上的电磁感应线圈，所述空心电主轴电机定 子内设有与所述空心电主轴上电磁感应线圈进行电磁感应作用的线圈；所述 空心电主轴的轴向方向上设有折射棱镜光学元件，所述折射棱镜光学元件与 所述空心电主轴固定连接，并随空心电主轴一起旋转，旋转的折射棱镜光学 元件用于对透射空心电主轴和折射棱镜光学元件的光束的进行旋转调制。所 述空心电主轴电机为气浮空心电主轴电机或者液压空心电主轴电机或者磁 浮空心电主轴电机或者陶瓷轴承空心电主轴电机。当所述空心电主轴电机的 空心电主轴安装在气浮轴承上，该空心电主轴电机也称为气浮空心电主轴电 机。所述气浮轴承是指通过在轴承腔内导入压力空气实现空心电主轴在空气 中悬浮的轴承。当所述空心电主轴电机的空心电主轴安装在液体动静压轴承 上，该空心电主轴电机也称为液压空心电主轴电机。所述液体动静压轴承是 指一种靠外部供给恒定压力油、在轴承内建立使电主轴从起动到停止始终悬 浮高压静压承载油膜的轴承。当所述空心电主轴电机的空心电主轴安装在电 磁悬浮轴承上，该空心电主轴电机也称为磁浮空心电主轴电机。所述电磁悬 浮轴承是一种利用电磁力将电主轴悬浮于空间实现非接触式支承的轴承。当 所述空心电主轴电机的空心电主轴安装在陶瓷轴承上，该空心电主轴电机也 称为陶瓷轴承空心电主轴电机。所述陶瓷轴承是指轴承的滚动体使用陶瓷 球，轴承套圈仍为钢圈的轴承。

需要说明的是，当所述激光束旋转调制器组为电主轴电机驱动旋转折射 棱镜光学元件和电流计驱动反射镜的并联组合，或者所述激光束旋转调制器 组为电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件和电流计驱动折射棱镜光学元 件的并联组合时，所述旋转激光聚焦焦点组内激光焦点旋转形成的同心圆或 者近似同心圆轨迹中，中心的圆形轨迹由电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学 元件对透射钻孔激光束旋转形成，其他的圆形轨迹由电流计驱动反射镜对反 射的钻孔激光束旋转形成或者电流计驱动折射棱镜光学元件对透射的钻孔 激光束旋转形成。

所述激光合束器4包含P偏振端激光合束器41和S偏振端激光合束器 42以及偏振激光合束元件43，本实施例中的偏振激光合束元件43是基于光 学薄膜的偏振合束片。所述P偏振端激光合束器41包含第一反射合束镜411 和第一激光合束元件413以及P偏振端激光收集器414，所述第一旋转钻孔 激光束313经所述第一反射合束镜411平面反射，获得第一反射合束光束 412，所述第一反射合束光束412平均功率的50％透射通过第一激光合束元件 413，成为P偏振端激光合束入射光束415的一部分，所述第一反射合束光 束412平均功率的50％经第一激光合束元件413反射到P偏振端激光收集器 414收集起来，所述第二旋转钻孔激光束314，50％透射通过第一激光合束元 件413输出到P偏振端激光收集器414收集起来，并且50％经第一激光合束 元件413反射成为P偏振端激光合束入射光束415的一部分；所述S偏振端 激光合束子模块42包含第二反射合束镜421和第二激光合束元件423以及S 偏振端激光收集器424，所述第三旋转钻孔激光束323经所述第二反射合束 镜421平面反射输出第二反射合束光束422，所述第二反射合束光束422平 均功率的50％透射通过第二激光合束元件424，成为S偏振端激光合束入射 光束425的一部分，所述第二反射合束光束422平均功率的50％反射到S偏 振端激光收集器424收集起来，所述第四旋转钻孔激光束324，平均功率50％ 透射通过第二激光合束元件423输出到S偏振端激光收集器424收集起来， 并且平均功率的50％经第二激光合束元件423反射成为S偏振端激光合束入 射光束425的一部分。所述P偏振端激光收集器414与S偏振端激光收集器 424用于把不用的激光收集起来。

所述P偏振端激光合束入射光束415与S偏振端激光合束入射光束425 经偏振激光合束元件43输出旋转对称轴平行或者近似平行的旋转钻孔激光 束组44。

本实施例中的偏振激光合束元件43为偏振合束器，偏振合束器至少可 以采用以下三种技术方案，第一种技术方案是偏振分束器(PBS＝polarizing beamsplitter)反过来使用，所述偏振分束器能够使得一个偏振态光反射， 另一个偏振态光束透射，在进行两种偏振态光束合束时，一种偏振态光束P 偏振光和和另一种偏振态光束S偏振光分别从偏振分束器对应输出端输入， 那么偏振分束器输入端可以输出P偏振光和S偏振光合束的激光光束；第二 种技术方案是采用薄膜偏振片(ThinFilmPolarizer)，也能够使得一个 偏振态光反射，另一个偏振态光束透射，在进行两种偏振态光束合束时，一 种偏振态光束透射，例如P偏振光透过薄膜偏振片，另一种偏振态光束，例 如S偏振光从薄膜偏振片输出P偏振光束的位置输入，那么薄膜偏振片会对 该S偏振光全反射，这样薄膜偏振片输出端可以输出P偏振光和S偏振光合 束的激光光束，这种方案的优势是激光光束合束效率高，体积小；第三种 技术方案是一种特殊情况，采用布儒斯特片进行合束，在进行两种偏振态光 束合束时，一种偏振态光束透射，例如P偏振光透过布儒斯特片，另一种偏 振态光束，例如S偏振光从布儒斯特片输出P偏振光束的位置输入，那么薄 膜偏振片会对该S偏振光部分反射，这样薄膜偏振片输出端可以输出P偏振 光和S偏振光合束的激光光束，这种方案的优势是可以完成相同波长或者不 同波长的激光光束进行合束。

从所述激光合束器模块4输出的旋转对称轴平行或者近似平行的旋转钻 孔激光束组44入射振镜扫描平场聚焦模块6的扫描振镜第一反射镜606，出 射扫描振镜第一反射光束603，所述扫描振镜第一反射光束603入射扫描振 镜第二反射镜602，输出振镜扫描光束组7。所述扫描振镜第一反射镜606 固定于扫描振镜第一电机604的扫描振镜第一电机主轴605上，所述扫描振 镜第二反射镜602固定于扫描振镜第二电机主轴601上，所述扫描振镜第一 电机主轴605与扫描振镜第二电机主轴601空间交叉放置。

如前所述，旋转钻孔激光束组44内部各钻孔激光束均为旋转状态，且 各钻孔旋转激光束之间的光束旋转对称轴平行(含同轴)或者近似平行(含 近似同轴)，所述近似平行(含近似同轴)指所述旋转运动钻孔激光束的光 轴空间旋转对称轴线之间的空间夹角小于1毫弧度。

如前所述，所述振镜扫描光束组7内各激光钻孔激光束均为旋转状态， 且各旋转钻孔激光束之间的光束旋转对称轴平行(含同轴)或者近似平行(含 近似同轴)。

所述振镜扫描光束组7经平场聚焦镜8聚焦，输出平场聚焦钻孔光束组 9，平场聚焦钻孔光束组9在待加工工件10上聚焦为钻孔激光束激光聚焦焦 点组(图中未标示)，所有的旋转激光聚焦焦点组的激光焦点都用于加工统 一孔位，且运动轨迹为同心圆或者近似同心圆，所述近似同心圆指各旋转钻 孔激光束聚焦焦点中心运动圆形轨迹的圆心离散度小于50微米，所述同心 圆或者近似同心圆的直径小于300微米。所述旋转激光聚焦焦点组的各激光 焦点光斑尺寸可以相同，也可以不同；所述旋转激光聚焦焦点组的各激光焦 点中心的运动圆形轨迹的直径可以相同，可以不同。当所述部分激光焦点运 动圆形轨迹直径相同或者接近时，采用不同的激光波长对不同材料叠加形成 的待加工工件钻孔更具备优势，此时不同的波长激光焦点可以先后用于加工 不同层次的材料，发挥各种波长对特定材料更具备加工能力的优势，提高加 工品质和效率。当所述激光焦点运动圆形轨迹直径不同时，把激光焦点光斑 尺寸考虑进去，所有激光焦点运动轨迹形成同心圆环或者近似同心圆环，以 大圆环套小圆环的形式一次性加工出盲孔或者通孔，极大提高了盲孔钻孔速 度。

本实施例中，所述激光器组内的所有激光器发射的多束钻孔激光束的共 同参数为：激光波长355纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分 之九十，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率范围20到100 千赫兹。其中不同激光参数，平均功率：1瓦20千赫兹。平均功率：2瓦40 千赫兹。平均功率：3瓦60千赫兹。平均功率：4瓦80千赫兹。

本实施例中，所述第一激光扩束器211、第二激光扩束器212、第三激 光扩束器221、第四激光扩束器222的扩束倍率均为10倍。本实施例中，第 一钻孔激光束113、第二钻孔激光束114、第三钻孔激光束123和第四钻孔 激光束124的光束直径均为0.7mm，经扩束以后，第一扩束激光束213、第 二扩束激光束214、第三扩束激光束223、第四扩束激光束224的光束直径 为7毫米。

本实施例中，第一激光束旋转调制器311、第二激光束旋转调制器312、 第三激光束旋转调制器321、第四激光束旋转调制器322均采用18万转/分 钟气浮主轴光束旋转方式，其中，第一旋转钻孔激光束313的光束光轴旋转 全角为0.2毫弧度，第二旋转钻孔激光束314光束光轴旋转全角为0.6毫弧 度，第三旋转钻孔激光束323光束光轴旋转全角为1毫弧度，第四旋转钻孔 激光束324光束光轴旋转全角为1.4毫弧度。这些光束光轴旋转全角的设计 考虑了激光聚集光斑直径大小(本实施例按照所有激光聚焦光斑直径20微 米设计，当然可以考虑实际情况，可以先设计不同的聚焦光斑大小，这样光 束光轴旋转全角的设计需要相应改变设计)，以及不同激光束激光焦点圆形 圆环加工截面之间的重叠度(本实施例按照圆环之间刚好重叠设计)。

本实施例中，第一激光合束元件413需要使得P偏振端激光合束入射光 束415的偏振态为P偏振，第二激光合束元件423需要使得S偏振端激光合 束入射光束425的偏振态为S偏振，P偏振端激光合束入射光束415与S偏 振端激光合束入射光束425经偏振激光合束元件43合束输出，且旋转对称 轴平行的旋转钻孔激光束组44所有光束的旋转对称轴平行(含同轴)或者 近似平行(含近似同轴)。实际上，本实施例所有激光合束元件都是对应的 激光分束元件的反用(例如偏振激光合束元件43)或者部分利用(例如第一 激光合束元件413与第二激光合束元件423，为了合束，每束激光损失50％ 平均功率)。

本实施例中，所述振镜扫描平场聚焦模块6中的扫描振镜采用入口孔径 15毫米的紫外数字扫描振镜。

本实施例中，扫描平场聚焦镜8采用远心扫描聚焦镜，远心扫描聚焦镜 的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米×50毫米，镜片增透膜波长355 纳米。

在本实施例中，所述待加工工件10为100微米厚度双面柔性印刷电路 板，其中两层铜层均为15微米厚度铜，两层铜之间有聚酰亚胺等绝缘层。

所述平场聚焦钻孔光束组9在待加工工件表面聚焦成四聚焦光斑，每个 聚焦光斑的直径为20微米，焦深为200微米。

本实施例工作流程如下：

所述激光钻孔同步控制模块通知或者控制第一激光束旋转调制器311、 第二激光束旋转调制器312、第三激光束旋转调制器321、第四激光束旋转 调制器322处于工作状态，例如18万转/分钟，即3000转/秒；待加工工件 10处于正确的空间位置，即待加工工件定位完毕，且处于平场聚焦镜头8 的焦平面；所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)控制振镜扫描平场 聚焦模块6的扫描振镜第一反射镜606与扫描振镜第二反射镜602处于确定 位置，使得激光聚焦焦点组(图中未标示)处于待钻孔位置。

所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)控制振镜扫描平场聚焦模 块6定位完毕立即控制钻孔激光束组内各激光束同时出光，此时第一旋转钻 孔激光束313的光束光轴旋转全角为0.2毫弧度，其焦点中心在待钻孔孔位 运动轨迹为20微米直径的圆，考虑激光聚焦光斑20微米的尺寸，其焦点运 动截面为直径40微米实心圆，请见图7中84所指示区域，剖面线部分为焦 点运动轮廓截面；同时第二旋转钻孔激光束314光束光轴旋转全角为0.6毫 弧度，其焦点中心在待钻孔孔位运动轨迹为60微米直径的圆，考虑激光聚 焦光斑20微米的尺寸，其焦点运动截面为内径40微米外径80微米的圆环， 刚好套住光束313对应的40微米实心圆，请见图7中83所指示区域，剖面 线部分为焦点运动轮廓截面；同时第三旋转钻孔激光束323光束光轴旋转全 角为1毫弧度，其焦点中心在待钻孔孔位运动轨迹为100微米直径的圆，考 虑激光聚焦光斑20微米的尺寸，其焦点运动截面为内径80微米外径120微 米圆环，刚好套住光束314对应焦点运动轮廓的圆环，请见图7中82所指 示区域，剖面线部分为焦点运动轮廓截面；同时第四旋转钻孔激光束324光 束光轴旋转全角为1.4毫弧度，其焦点中心在待钻孔孔位运动轨迹为140微 米直径的圆，考虑激光聚焦光斑20微米的尺寸，其焦点运动截面为内径120 微米外径160微米圆环，刚好套住光束323对应焦点运动轮廓的圆环，请见 图7中81所指示区域，剖面线部分为焦点运动轮廓截面；所有钻孔激光器 出光时间为334微秒，这段时间所有钻孔激光器一起出光完成直径160微米 盲孔的钻孔任务。在钻孔过程中，脉冲重复频率20千赫兹，脉冲重复频率 40千赫兹，脉冲重复频率60千赫兹，脉冲重复频率80千赫兹。

一旦孔位钻孔完毕，所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)立即 控制激光器组1停止发射钻孔激光束，并控制振镜扫描平场聚焦模块6对下 一待加工孔位进行定位，重复以上过程。

如果只需要钻40微米盲孔，所述激光钻孔同步控制模块只控制开光， 其他激光束处于锁光状态；如果需要钻80微米盲孔，所述激光钻孔同步控 制模块控制第一钻孔激光束与第二钻孔激光束开光，其他钻孔激光束处于锁 光状态；如果需要钻120微米盲孔，所述激光钻孔同步控制模块控制第一钻 孔激光束、第二钻孔激光束与第三钻孔激光束，其他钻孔激光束处于锁光状 态；如果需要钻120微米通孔，所述激光钻孔同步控制模块控制第三钻孔激 光束开光，其他钻孔激光束处于锁光状态；如果需要钻160微米通孔，所述 激光钻孔同步控制模块控制第四钻孔激光束开光，其他钻孔激光束处于锁光 状态。综上所述，本实施例方案可以用于离散孔径的盲孔与通孔钻孔。

实际上，第一激光束旋转调制器311、第二激光束旋转调制器312、第 三激光束旋转调制器321、第四激光束旋转调制器322的光束调制转速可以 不同，如此对应钻孔激光束脉冲重复频率也可以不同，对应钻孔激光束的开 关光时间长短有先后顺序可以不同，这些都由所述激光钻孔同步控制模块控 制。

实际上，所述激光器组1可以只包含P偏振端激光器组11，也可以只包 含S偏振端激光器组12，对应的，所述激光扩束器组2可以只包含P偏振端 激光扩束器组21，也可以只包含S偏振端激光扩束器组22，对应的，所述 激光束旋转调制器组3可以只包含P偏振端激光束旋转调制器组31，也可以 只包含S偏振端激光束旋转调制组32，对应的，所述激光合束器4可以只包 含P偏振端激光合束器41，也可以只包含S偏振端激光合束器42。

实际上，当所述激光束旋转调制器为声光偏转器或电光偏转器或压电陶 瓷驱动反射镜或电主轴电机驱动旋转折射棱镜光学元件或其中任意两者或 多者的组合时，所述激光扩束器组可以位于钻孔激光束组与激光束旋转调制 组之间，也可以位于激光束旋转调制组与激光合束器模块之间，也可以位于 激光合束器模块与所述振镜扫描平场聚焦模块之间。

实际上，当所述激光束旋转调制器为电流计驱动反射镜或电流计摆动折 射棱镜光学元件或两者组合时，所述激光扩束器组位于激光束旋转调制组与 激光合束器模块之间，也可以位于激光合束器模块与所述振镜扫描平场聚焦 模块之间。

激光扩束器的位置不同，钻孔激光束光轴旋转全角设计时会有所改变， 因为扩束器由旋转角度压缩功能。

实际上，上述平行光束时间与空间上同步对同一个孔位加工，极大的提 高了微孔加工速度，对于电路板盲孔钻孔而言是技术方案上的革命性的提 高，且电路板盲孔钻孔孔径大小也是离散设计的，而本实施例方案刚好用于 离散孔径的盲孔与通孔钻孔。

实施例2、四钻孔激光束合束钻孔系统。下面结合图2对本实施例提供 的钻孔系统进行描述。

可以参见前述实施例1，本实施例在实施例1的基础上增加了激光折射 扫描模块5，由于在实际中有些领域的通孔与盲孔加工，需要孔径在一定范 围内连续变化，为了解决这种情况，如图2所示，为了增加高速精细微调钻 孔孔径功能，增加了激光折射扫描模块5，所述激光折射扫描模块5位于激 光合束器4与振镜扫描平场聚焦模块6之间，折射扫描模块第二电机主轴503 与折射扫描模块第二电机504联接，第二折射光学棱镜502安装在603上， 第一折射光学棱镜501安装于第一电机主轴(图中未标示)，第一电机主轴 (图中未标示)与第二电机主轴503空间交叉。旋转对称轴平行钻孔激光束 组44入射第一折射光学棱镜501后入射第二折射光学棱镜502，输出复合运 动钻孔激光束组505，所述复合运动钻孔激光束组505入射振镜扫描平场聚 焦模块6。所述复合运动钻孔激光束组505内所有光束旋转对称轴平行(含 同轴)或者近似平行(含近似同轴)。所述第一电机主轴与第二电机主轴503 摆动同样的角度，折射棱镜光学元件对透射光束的偏摆角度远远小于反射镜 对反射光束的偏摆角度，因此本实施例的图2中引入激光折射扫描模块5， 可以极大的提高光束偏摆复合运动的精度。当所钻孔径不处于实施例1中所 设计的离散孔径时，所述激光钻孔同步控制模块控制激光折射扫描模块5对 透射光束进行复合偏摆运动，解决原有孔径不可连续调整问题。

实施例3、两钻孔激光束合钻孔系统。下面结合图3对本实施例提供的 系统进行说明。

本实施例是实施例1的变种，激光器组1保留了S偏振端激光器组12， 对应地，激光扩束器组2保留了S偏振端激光扩束器组22，激光束旋转调制 器组3保留S偏振端激光束旋转调制组32，激光合束器4保留了S偏振端激 光合束器42，增加了第三反射合束镜426。加热与清洗激光器201输出加热 与清洗激光束200，并经第三反射合束镜426反射合束，输出光轴与钻孔激 光束旋转对称轴平行的加热与清洗激光束202，加热与清洗激光束202光束 直径1.5毫米，经振镜扫描平场聚焦模块6反射，获得振镜扫描输出的加热 与清洗激光束203，所述振镜扫描输出的加热与清洗激光束203与振镜扫描 光束组7内的旋转光束的旋转对称轴平行或者近似平行(所述近似平行(含 近似同轴)指所述旋转运动钻孔激光束的光轴空间旋转对称轴线之间的空间 夹角小于1毫弧度)，因此振镜扫描输出的加热与清洗激光束203与振镜扫 描光束组7经平场聚焦镜8聚焦后，振镜扫描输出的加热与清洗激光束203 对应的激光焦点中心处于平场聚焦钻孔光束组9对应的旋转激光聚焦焦点组 运动轨迹的中心或者近似中心，但是由于振镜扫描输出的加热与清洗激光束 203的光束直径很小，因此，振镜扫描输出的加热与清洗激光束203对应的 聚焦光斑很大，且大于等于平场聚焦钻孔光束组9对应的旋转激光聚焦焦点 组运动轨迹轮廓。

值得注意的是，本实施例所使用的激光合束器，可以使用偏振合束器， 也可以使用非偏振合束器，偏振合束器与非偏振合束器，都是基于偏振分光 和非偏振分光器件的反向或者部分使用。其中，偏振相关与偏振无关分光器 都有平面分束器和立方分束器两种类型，都是基于薄膜分光。

本实施例工作流程如下：

所述激光钻孔同步控制模块通知或者控制第三激光束旋转调制器321、 第四激光束旋转调制器322处于工作状态，例如18万转/分钟，即3000转/ 秒；待加工工件10处于正确的空间位置，即待加工工件定位完毕，且处于 平场聚焦镜头8的焦平面；所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)控 制振镜扫描平场聚焦模块6的扫描振镜第一反射镜606与扫描振镜第二反射 镜602处于确定位置，使得旋转激光聚焦焦点组(图中未标示)处于待钻孔 位置；所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)控制振镜扫描平场聚焦 模块6定位完毕立即控制钻孔激光束组内各激光束同时出光，或者选择性出 光或者先后出光；一旦钻孔激光束旋转完毕，所述激光钻孔同步控制模块(图 中没有标示)立即控制对应钻孔激光束关光，并控制所述激光加热与清洗激 光器201出光，对所述旋转激光聚焦焦点组所钻盲孔进行激光清洗。本实施 例也可以在所述钻孔旋转激光聚焦焦点组(图中未标示)出光扫描钻孔前， 采用激光加热与清洗激光束对待加工工件10进行表面清除污渍以及加热处 理，更有利于所述钻孔旋转激光聚焦焦点组(图中未标示)对待加工工件10 进行高效钻孔。一旦盲孔清洗完毕，所述激光钻孔同步控制模块(图中没有 标示)立即控制控制所述激光加热与清洗激光器201关光，并控制振镜扫描 平场聚焦模块6对下一待加工孔位进行定位，重复以上过程。

所述加热与清洗激光束200为直径是1.5毫米的激光光束，其相关参数 如下：激光波长355纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分之九 十，平均功率4瓦5千赫兹，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲 重复频率范围0到10千赫兹。所述加热与清洗激光束200对应的激光加热 与清洗光斑的光斑直径为200微米，焦深1300微米，如果需要更大的光斑， 加热与清洗激光束可以离焦使用。

实施例4、双空心电主轴并联旋转激光双光束合束钻孔系统。下面结合 图4与图8对本实施例提供的系统进行说明。

本实施例仍然是实施例1的变种。如图4所示，本实施例中的激光器组 1包含P偏振端激光器组11与S偏振端激光器组12，所述11包含第一钻孔 激光器111，输出第一钻孔激光束113；所述S偏振端激光器组12包含第四 钻孔激光器122，输出第四钻孔激光束124。

所述激光扩束器组2包含P偏振端扩束器组21和S偏振端扩束器组22， 所述P偏振端扩束器组21包含第一激光扩束器211,所述第一钻孔激光束113 经第一激光扩束器211扩束输出第一扩束激光束213；所述S偏振端扩束器 组22包含第四激光扩束器222,所述第四钻孔激光束124经第四激光扩束器 222扩束输出第四扩束激光束224。

所述激光束旋转调制器组3包含P偏振端激光束旋转调制组31和S偏 振端激光束旋转调制组32，所述P偏振端激光束旋转调制组31包含第一激 光束旋转调制器311，所述第一扩束激光束213经所述第一激光束旋转调制 器311旋转调制，输出第一旋转钻孔激光束313；所述S偏振端激光束旋转 调制器组32包含第四激光束旋转调制器322，所述第四扩束激光束224经所 述第四激光束旋转调制器322旋转调制，输出第四旋转钻孔激光束324。

所述激光合束器4包含偏振激光合束元件43，本实施例中的偏振激光合 束元件43是基于光学薄膜的偏振合束片。所述第一旋转钻孔激光束313经 所述第一反射合束镜411平面反射，获得P偏振端激光合束入射光束415。 所述P偏振端激光合束入射光束415与第四旋转钻孔激光束324经偏振激光 合束元件43输出旋转对称轴平行或者近似平行的钻孔激光束组44。

所述激光折射扫描模块5位于激光合束器器4与振镜扫描平场聚焦模块 6之间，折射扫描模块第二电机主轴503安装于折射扫描模块第二电机504 上，第二折射光学棱镜502安装在折射扫描模块第二电机主轴503上，第一 折射光学棱镜501安装于第一电机主轴(图中未标示)，第一电机主轴(图 中未标示)与第二电机主轴503空间交叉。旋转对称轴平行钻孔激光束组44 入射第一折射光学棱镜501后入射第二折射光学棱镜502，输出复合运动钻 孔激光束组505，所述复合运动钻孔激光束组505入射振镜扫描平场聚焦模 块6，入射扫描振镜第一反射镜606，输出扫描振镜第一反射光束603，所述 扫描振镜第一反射光束603入射扫描振镜第二反射镜602，输出振镜扫描光 束组7。所述扫描振镜第一反射镜606固定于扫描振镜第一电机604的第一 电机主轴605上，所述扫描振镜第二反射镜602固定于扫描振镜第二电机主 轴601上，所述扫描振镜第一电机主轴605与扫描振镜第二电机主轴601空 间交叉放置。

所述振镜扫描光束组7经平场聚焦镜8聚焦，输出平场聚焦钻孔光束组 9，平场聚焦钻孔光束组9在待加工工件10上聚焦为钻孔激光束激光聚焦焦 点组(图中未标示)，所有的激光聚焦焦点组的激光焦点都用于加工统一孔 位，且运动轨迹为同心圆或者近似同心圆，所述近似同心圆指各旋转钻孔激 光束聚焦焦点中心运动圆形轨迹的圆心离散度小于50微米，所述同心圆或 者近似同心圆的直径小于300微米。所述旋转激光聚焦焦点组的各激光焦点 光斑尺寸可以相同，也可以不同；所述旋转激光聚焦焦点组的各激光焦点中 心的运动圆形轨迹的直径可以相同，可以不同。当所述部分激光焦点运动圆 形轨迹直径相同或者接近时，采用不同的激光波长对不同材料叠加形成的待 加工工件钻孔更具备优势，此时不同的波长激光焦点可以先后用于加工不同 层次的材料，发挥各种波长对特定材料更具备加工能力的优势，提高加工品 质和效率。当所述激光焦点运动圆形轨迹直径不同时，把激光焦点光斑尺寸 考虑进去，所有激光焦点运动轨迹形成同心圆环或者近似同心圆环，以大圆 环套小圆环的形式一次性加工出盲孔或者通孔，极大提高了盲孔钻孔速度。

在本实施例中，所述待加工工件10为100微米厚度双面柔性印刷电路 板，其中两层铜层均为15微米厚度铜，两层铜之间有聚酰亚胺等绝缘层。

所述平场聚焦钻孔光束组9在待加工工件表面聚焦成包含两个聚焦光斑 的旋转激光聚焦焦点组，每个聚焦焦点光斑的直径为20微米，焦深为200 微米。

本实施例工作流程如下：

所述激光钻孔同步控制模块通知或者控制第一激光束旋转调制器311、 第四激光束旋转调制器322处于工作状态，例如18万转/分钟，即3000转/ 秒；待加工工件10处于正确的空间位置，即待加工工件定位完毕，且处于 平场聚焦镜头8的焦平面。所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)控 振镜扫描平场聚焦模块6的扫描振镜第一反射镜606与扫描振镜第二反射镜 602处于确定位置，使得旋转激光聚焦焦点组(图中未标示)处于待钻孔位 置；所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)控制振镜扫描平场聚焦模 块6定位完毕立即控制钻孔激光束组内各激光束同时出光，此时第一旋转钻 孔激光束313光轴旋转全角为0.2毫弧度，其焦点中心在待钻孔孔位运动轨 迹为20微米直径的圆，考虑激光聚焦光斑20微米的尺寸，其焦点运动截面 为直径40微米实心圆，请见图8中84所指示区域，剖面线部分为焦点运动 轮廓截面；同时第四旋转钻孔激光束324光轴旋转全角为0.6毫弧度，其焦 点中心在待钻孔孔位运动轨迹为60微米直径的圆，考虑激光聚焦光斑20微 米的尺寸，其焦点运动截面为内径40微米外径80微米圆环，刚好套住光束 313对应焦点运动轮廓84，请见图8中83所指示区域，剖面线部分为焦点 运动轮廓截面；所述钻孔激光束出光时间为334微秒，这段时间所束钻孔激 光束一起出光完成直径80微米盲孔的钻孔任务。在钻孔过程中，第一钻孔 激光束脉冲重复频率40千赫兹，第四钻孔激光束脉冲重复频率80千赫兹。 一旦孔位钻孔完毕，所述激光钻孔同步控制模块(图中没有标示)立即控制 第一钻孔激光束和第四钻孔激光束关光，并控制扫描振镜6对下一待加工孔 位进行定位，重复以上过程。如果只需要钻40微米盲孔，所述激光钻孔同 步控制模块只控制第一钻孔激光束开光，其他钻孔激光束处于锁光状态；如 果需要钻80微米盲孔，所述激光钻孔同步控制模块控制第一钻孔激光束与 第四钻孔激光束开光；如果需要钻80微米通孔，所述激光钻孔同步控制模 块控制第四钻孔激光束开光，第一钻孔激光束处于锁光状态。综上所述，本 实施例方案可以用于离散孔径的盲孔与通孔钻孔。

实施例5、空心电主轴与摆角压缩振镜并联旋转激光双光束合束钻孔系 统。下面结合图5与图8对本实施例提供的系统进行说明。

本实施例是在前述实施例4的基础上进行了一些改进，主要是在前述实 施例4的基础上增加了加热与清洗激光器201,以及减少了激光折射扫描模 块5，加热与清洗激光器201设置于激光合束器4之前，加热与清洗激光器 201发出加热与清洗激光束200，所述加热与清洗激光束200经第一激光合 束元件413分束，50％反射进入P偏振端激光收集器414,50％透射成为P偏振 端激光合束入射光束415的一部分；所述P偏振端激光合束入射光束415与 第四旋转光束324经偏振激光合束元件43输出旋转对称轴平行或者近似平 行的钻孔激光束组44。

本实施例采用高速旋转模块(即激光束旋转调制器组3)对第一钻孔激 光束113进行调制，用于加工盲孔的中心部分；采用高速振镜对第四钻孔激 光束124进行调制进行更大直径区域的填充旋转扫描，解决了盲孔远心部分 光束扫描的难题(远心部分如果用振镜扫描，则由于扫描曲率过大，振镜做 不到高精度高速扫描)。另利用激光扩束器在扩束的时候对激光光束角度压 缩的特性，对第四旋转钻孔激光束324进行激光扩束和光轴旋转摆角压缩， 将光束的摆角幅度进行压缩后形成旋转摆角幅度压缩的光束，即高速振镜对 第四钻孔激光束124调制的角度处于0.2毫弧度到40毫弧度之间，这样能 够让高速扫描振镜工作于振镜高频扫描区间(通常光束偏转为0.2毫弧度到 40毫弧度之间时，振镜具备最高的往返扫描频率)，经过扩束器222的10 倍压缩，第四扩束激光束224的旋转摆角变为0.02毫弧度到4毫弧度之间， 这样，宏观的高速扫描振镜高频往返扫描经过所述光束摆角压缩模块后获得 精细角度分辨率的微观扫描，既能够提高扫描频率，又获得精细角度扫描分 辨率，非常适合于激光精密微加工。本实施例解决了振镜在微细领域高速扫 描的问题(请见请见图8中的83部分)，同时也解决了振镜往返是扫描在圆 心部分扫描曲率太大，速度与精度上不去的局限(圆心部分用高速旋转扫描， 请见图8中的84部分)。

实施例6、摆角压缩双振镜并联旋转激光双光束合束钻孔系统。下面结 合图6与图8对本实施例提供的系统进行说明。

本实施例是前述实施例5的变种，改变了加热与清洗激光器201的合束 位置，将第一激光束旋转调制器311也改为基于反射镜的传统振镜，其中， 加热与清洗激光器201的位置可参见前述实施例3，在此不再重复说明。

实施例7、一种旋转对称中心轴平行的旋转光束组钻孔方法流程图。下 面结合图9对本实施例提供的方法进行详细说明。

本实施例提供的方法具体包括以下步骤：

S1、激光钻孔同步控制模块控制振镜扫描平场聚焦模块对待加工工件的 待加工孔位进行定位；

S2、激光钻孔同步控制模块控制激光器组同时发射多束钻孔激光束或者 按照一定的时序先后发射多束钻孔激光束或者选择性发射多束钻孔激光束；

S3、激光钻孔同步控制模块控制激光旋转调制器组对多束钻孔激光束进 行空间旋转调制，获得对应的多束旋转钻孔激光束，并入射激光合束器；其 中，每一束旋转钻孔激光束的光轴与该旋转钻孔激光束的旋转对称中心轴之 间的夹角大于0弧度且小于20毫弧度；

S4、激光合束器对入射的多束旋转钻孔激光束进行合束，输出旋转钻孔 激光束组，其中，旋转钻孔激光束组内的各旋转钻孔激光束的旋转对称轴之 间空间夹角小于1毫弧度；

S5、旋转钻孔激光束组经振镜扫描平场聚焦模块聚焦获得旋转激光聚焦 焦点组，对待加工工件的待加工孔位进行钻孔加工，其中，所述旋转激光聚 焦焦点组内各激光焦点中心的运动轨迹为同心圆或者近似同心圆，所述近似 同心圆是指旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点中心运动圆形轨迹的圆心离 散度小于50微米，所述同心圆或者近似同心圆的直径小于300微米；

S6、当所述旋转钻孔激光束组对待加工工件的当前加工孔位加工完毕 后，返回步骤S1。

在采用本实施例提供的方法进行钻孔的过程中，采用激光扩束器对激光 器组发射的多束钻孔激光束进行扩束；或者，采用激光扩束器对多束旋转钻 孔激光束进行扩束；或者，采用激光扩束器对合束后的旋转钻孔激光束组进 行扩束；还可采用激光折射扫描模块对合束后的旋转钻孔激光束组的偏移角 度变化量进行调整，以及对合束后的旋转钻孔激光束组进行复合扫描运动； 以及当所述旋转激光聚焦焦点组对待加工工件进行扫描钻孔时，采用激光加 热与清洗激光束在所述旋转激光聚焦焦点组出光前或出光时对扫描钻孔区 域进行时空同步的激光加热与清洗预处理；或者，在所述旋转激光聚焦焦点 组开光后对扫描钻孔区域进行时空同步的激光照射清洗。至于采用本实施例 提供的方法进行激光钻孔的具体工作原理可参见前述实施例1-实施例6，在 此不做说明。

总之，本发明提出的一种旋转对称中心轴平行的旋转光束组钻孔系统与 方法，其重要特点是：高速旋转的激光束组经过激光合束后，形成旋转对称 轴平行(含同轴)或者近似平行(含近似同轴)的旋转钻孔激光束组；所述 旋转钻孔激光束组经过平场聚焦镜聚焦后，在焦平面上形成旋转激光聚焦焦 点组；所述旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点中心轨迹为同心圆或者近似同 心圆；所述旋转激光聚焦焦点组内各激光焦点在时间与空间上对同一孔位进 行钻孔加工，从时间与空间两个维度极大提高了单孔钻孔效率；辅以振镜扫 描，把旋转激光聚焦焦点组从一个孔位快速切换到另一个孔位，极大提高了 密集群孔微孔加工效率，特别是群孔盲孔加工效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。