1、第一章 激光打孔系統概述1.1 激光的特性激光的應用領域根據激光的特性而確定。概括地說，激光有四大特性：單色性、相干性、方向性和高能量密度。1. 激光的單色性 激光器所發出的激光具有其它光源的光所難以達到的、極高的單色性，這是由于構成激光的諧振腔的反射鏡具有波長選擇性，并且利用原子固有能級躍遷的結果。激光是受激發射的，它的頻率寬度很窄，比普通光源（如氪燈）的頻率寬度要窄幾個數量級。因此，激光單色性比普通光源單色性要好得多。2. 激光的相干性相干性是區別激光與普通光源的重要特征。當兩列振動方向相同、頻率相同、相位固定的單色波迭加后，光的強度在迭加區域不是均勻分布的，而是在一些地方有極大值，一些地

2、方有極小值。這種在迭加區域出現的強度穩定的強弱分布的現象稱為光的干涉現象，即這兩列光波具有相干性。在普通光源中，各發光中心是自發輻射，彼此相互獨立，基本上沒有相位關系，因此很難有恒定的相位差，相干性很差；而激光是受激輻射占優勢，加上諧振腔的作用，各發光中心是相互密切聯系的，在較長時間內有恒定的相位差，能形成穩定的干涉條紋，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線的發散度小，是因為從諧振腔發出的只能是反射鏡多次反射后無法顯著偏離諧振腔軸線的光波。由于不同激光器的工作物質類型和均勻性、光腔類型和腔長、激勵方式以及激光器的工作狀態不同。一般氣體激光器由于工作物質有良好均勻性，并

3、且腔長一般較大，所以有最好的方向性，發散角可以達到10-3rad；固體激光器方向性較差，發散角一般在10-2rad量級。當然，通過外光路系統的改進（如加望遠鏡系統），也可以改善其方向性。激光束的空間相干性和方向性對它的聚集性能有重要影響。4. 激光的高能量密度激光束也和其它光束一樣，可以通過凸鏡或金屬反射鏡加以聚焦。經聚焦后，可以將激光的巨大能量聚焦到直徑為光波波長量級的光斑上，形成極高的能量密度，例如了產生的1051013W/cm2功率密度（輻照度）。主要的特征就是激光可以聚焦產生巨大的功率密度，而使激光加工成為可能。1.2 激光打孔的特點激光打孔與其它方法如機械鉆孔、電火花加工等常規打孔手

4、段相比，具有以下顯著的優點：1. 激光打孔速度快，效率高，經濟效益好。由于激光打孔是利用功率密度為107109W/cm2的高能量激光束對材料進行瞬時作用，作用時間只有10-310-5s，因此激光打孔速度非常快。將高效能激光器與高精度的機床及控制系統配合，通過微處理機進行程序控制，可以實現高效率打孔。在不同的工件上激光打孔與電火花打孔及機械鉆孔相比，效率提高101000倍。2. 激光打孔可獲得大的深徑比。在小孔加工中，深徑比是衡量小孔加工難度的一個重要指標。對于用激光束打孔來說，激光束參數較其它打孔方法更便于優化，所以可獲得比電火花打孔及機械鉆孔大得多的深徑比。一般情況下，機械鉆孔比電火花打孔所

5、獲得的深徑比值不超過10。3. 激光打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行。高能量激光束打孔不受材料的硬度、剛性、強度和脆性等機械性能限制，它既適合金屬材料，也適合于一般難以加工的非金屬材料，如紅寶石、藍寶石、陶瓷、人造金剛石和天然金剛石等。由于難加工材料大都具有高強度、高硬度、低熱導率、加工易硬化、化學親和力強等性質，因此在切削加工中阻力大、溫度高、工具壽命短，表面粗糙度差、傾斜面上打孔等因素使打孔的難度更大。而用激光在這些難加工材料上打孔，以上問題將得到解決。我國鐘表行業所用的寶石軸承幾乎全部是激光打孔。人造金剛石和天然金剛石的激光打孔應用也非常普遍。用YAG激光在厚度為5.5的硬質合金上打孔

6、，深徑比高達14：1，而在11.5厚的65Mn上可打出深徑比為19：1的小孔。在10厚的堅硬的氮化硅陶瓷上可容易地打出直徑為0.6的小孔，這都是常規打孔手段無法辦到的。特別是在彈性材料上，由于彈性材料易變形，很難用一般方法打孔。例如在嬰兒奶瓶的奶嘴上打孔，由于在打孔過程中奶嘴材料易變形，使得孔形不規則，所以打孔比較困難。用激光不僅質量高，而且效率也高。可用分光束器將單個激光脈沖分成三部分，用光學系統聚焦，同時打出兩個通氣孔和一個食奶孔。用鋁掩膜和同軸噴氣方法能使二氧化碳激光在塑料和薄橡膠片上打大量的小孔；激光可以加工氣溶膠塑料噴嘴小孔；在尼龍鈕扣上打孔可以避免用機械方法打孔時產生的碎屑，還能夠

7、消除使縫紉線割斷的棱角等。4. 激光打孔無工具損耗。激光打孔為無接觸加工，避免了機械鉆打微孔時易斷鉆頭的問題。用機械鉆加工直徑為0.8以下的小孔，即使是在鋁這樣軟的材料上，也常常出現折斷鉆頭的問題，這不僅造成工具損耗而加大成本，而且會因為鉆頭折斷致使整個工件報廢。如果是在群孔板的加工中出現鉆頭折斷，將使問題更為嚴重。在這種情況下，去除折斷鉆頭的最好方法也仍然是激光打孔。當然此時的激光打孔設備必須具備精密的瞄準裝置，以便準確無誤地打掉折斷的鉆頭。5. 激光打孔適合于數量多、高密度的群孔加工。由于激光打孔機可以和自動控制系統及微機配合，實現光、機、電一體化，使得激光打孔過程準確無誤地重復成千上萬次

8、。結合激光打孔孔徑小、深徑比大的特點，通過程序控制可以連續、高效地制作出小孔徑、數量大、密度高的群孔板。激光加工出的群孔板的密度比機械鉆孔和電火花打孔的群孔板高13個數量級，例如，食品、制藥行業使用的過濾片厚度為13，材料為不銹鋼，孔徑為0.30.8，密度為10100孔/cm2。為了達到節油40%的目的，要在飛機機翼上打出5萬個直徑為0.064的孔。在飛機的防水系統中用激光加工出34.5萬多個小孔。在一臺推力為一萬公斤以上的現代航空發動機的渦輪葉片及火焰筒等零件上加工出710萬個冷卻小孔。若采用氣膜和發散冷卻技術，小孔數量可達50萬個。這些大數量的孔非激光打孔莫屬。6. 用激光可在難加工材料傾

9、斜面上加工小孔。對于機械打孔和電火花打孔這類接觸式打孔來說，在傾斜面上打小孔是極為困難的。傾斜面上的小孔加工的主要問題是鉆頭入鉆困難，鉆頭切削刃在傾斜平面上單刃切削，兩邊受力不均，產生打滑難以入鉆，甚至產生鉆頭折斷。如果為高強度、高硬度材料，打孔幾乎是不可能的；而激光卻特別適合于加工與工件表面成690角的小孔，即使是在難加工材料上打斜孔也不例外。另外，由于激光打孔過程與工件不接觸，因此加工出來的工件清潔，沒有污染。因為這種打孔是一種蒸發型的、非接觸的加工過程，它消除了常規熱絲穿孔和機械穿孔帶來的殘渣，因而十分衛生。而且激光加工時間短，對被加工的材料氧化、變形、熱影響區域均較小，不需要特別保護。

10、激光不僅能對置于空氣中的工件打孔，而且也能對置于真空中或其它條件下的工件進行打孔。由此可見，激光是一種高質量、快速打孔的有效工具。1.3 激光打孔原理概述 所謂激光打孔，就是將聚焦的激光束射向工件，把工件的指定范圍“燒穿”。一般說來，當功率密度為W/cm2時，就能使各種材料（包括陶瓷）熔化或氣化，即達到“燒穿”的目的。由于激光的亮度極高，只要將中等強度的激光束有透鏡聚焦，在焦面處的功率密度遠遠大于上述的數值，因此激光是一種強有力的打孔工具。由于激光是波長單一、亮度極高、空間相干性和時間相干性都非常好的相干光，它具有良好的可聚焦性。激光經過光學系統的整理、聚焦和傳輸，在焦點處可得到直徑為十幾至幾

11、微米的細小光斑，使得焦點處激光的功率密度高達1051013W/cm2。在焦面處的激光功率密度，等于激光輸出功率除以光點面積，即： F = （11）式中F為焦面處的激光功率密度，P為激光輸出功率，d為焦面處光點的直徑。激光經聚焦后作為高強度熱源對材料進行加熱，如(圖21)所示。當激光功率密度為105106 W/cm2時（見圖22），就能使各種材料（包括陶瓷）熔化或汽化。圖11激光打孔；圖22各種過程所需要的功率密度；圖23激光束的發散角雖然說激光的方向性極好，但也有一定的發散角（見圖23）。假設激光束的發散角為，聚焦透鏡的焦距為f，則在焦面上的光點的直徑d為： （12）在一般情況下，固體激光器光

12、束的發散角為10-210-3弧度。如果聚焦透鏡的焦距為幾厘米，那么光點的大小就是幾十至幾百微米。在不同材質上打孔，所需要的功率密度不同，可根據式（21）選擇輸出功率密度適當的激光器。打孔時，孔的縱截面的形狀在很大程度上取決于焦平面與像面之間的光束形狀。光束的形狀則由內部邊界光（即通過諧振腔內光線最小截面的外部各點的光，或由被投射的光欄的邊緣發出的光）的光程決定。設計光路時，要使這些光線的交點與物鏡的前焦點重合。這樣，光學系統的焦點與像之間的光束為一柱面所限。光束的柱形部分的長度可用下式求： （13）式中，為柱形光束的長度；為物鏡的焦距；為激光的發散角；為光欄直徑或諧振腔內光線最小截面的直徑；為

13、柱形光束的直徑。柱形光束對除孔底的材料頗有用處，可顯著改變孔的圓錐形。當柱形激光加工材料時，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徹底消除，或將其影響減至最低限度。在孔深增大過程中，也沒有光的散焦。試驗證明，用這種形式的光束所成的孔，較之用一般形式的光束其圓形的偏差要小34倍。1.4 小 結激光打孔經過二十幾年的發展已逐漸成熟起來，并被越來越多的人們所認識、接受和采用。激光打孔的發展趨勢有以下幾個特點： 激光打孔朝著高速度、高效率方向發展。 激光打孔的深度不斷增加。 用激光加工微米級小孔。 激光打孔材料多樣化。 激光打孔的質量不斷提高。第二章 激光打孔光學系統設計2.

14、1 激光器3.1.1 激光器的選擇激光器是光學部分中的核心元件，激光器的性能直接關系到光學部分乃至整個激光打孔機的性能，它的主要作用是將電源系統提供的電能以一定的轉換效率轉換成激光能。目前激光器的種類繁多，并且還在不斷地涌現出新的激光器。但是，適用于激光加工的激光器，當前只有CO2激光器和摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器兩種。在對于激光器的選擇中，主要依據材料對激光能量的吸收率。任何材料對激光都有三種效果，即反射、透射和吸收。如果材料對激光波長的吸收率高，則激光的利用率就低。如果吸收率低，激光的能量大部分被反射或透射過工件而散失掉，那么激光的利用率就低。對于激光打孔的材料（鋼）的吸收率，10.6

15、微米的CO2激光器反射率很高，幾乎不吸收，而1.06微米的YAG激光器吸收率較高；對于塑料材料，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。所以本課題的激光打孔機選用YAG激光器，其工作方式有脈沖和連續兩種，在本論文中采用脈沖方式，脈沖寬度為100，打微孔功率為20100毫焦，打孔大一些的功率為12焦。2.1.2 YAG激光器的特點1、YAG激光器具有許多不同于CO2激光器的良好性能： 它輸出的波長為1.06m，恰好比CO2激光器波長10.6m小一個數量級，因而使用與金屬的耦合效率高、加工性能良好（一臺800W YAG激光器的有效功率相當于3kW CO2激光器功率）；

16、YAG激光器能與光纖耦合，借助時間分割和功率分割多路系統能方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠距離工位，便于激光加工實現柔性化； YAG激光器能以脈沖和連續兩種工作方式，其脈沖輸出可通過調Q和鎖模技術獲得短脈沖及超短脈沖，從而使其加工范圍比CO2激光器更大； YAG激光器結構緊湊、重量輕、使用簡便可靠、維修要求較低，故其應用前景看好。2、YAG激光器的主要缺點是： 其轉換效率較低，僅為13，這比CO2激光器的效率約低一個數量級； YAG激光棒在工作過程中存在內部溫度梯度，因而會引起熱應力和熱透鏡效應，限制了YAG激光器平均功率和光束質量的進一步提高； YAG激光器每瓦輸出功率的成本費比CO2激光

17、器貴。2.2 光學設計2.2.1光學設計中的方法用光線光路計算方法求光學系統的象差值以判定其成象質量，首先必須知道該系統的結構參數（、）。這個結構可能是象差已經校正的可用結果，也可能是供象差校正用的初始結構。當光學系統的各個薄透鏡組的光焦度及它們相互間的位置為已知時，第一、二近軸光線在各個光組的入射高度和也就確定了。每個薄透鏡組的初級象差由和兩個參量確定。故稱和為薄透鏡組的象差參量，或象差特性參數。利用、求薄透鏡系統的初始解的過程為：首先對整光學系統作外形尺寸計算，求出各個光組上的光線入射高度和，光焦度和拉赫不變量等；再根據對各個透鏡組的象差要求按薄透鏡系統象差公式求出各薄透鏡組的象差參量、；

18、最后，由、確定各個薄透鏡組的結構參數。任何光學系統或光組的象差參量表達式均可分為兩部分。一部分稱為內部參數，是指光組各個折射面的曲率半徑，折射面間的間隔和折射面間介質折射率.另一部分參數稱為外部參數，是指物距、,焦距，半視場和相對孔徑等。2.2.2單個透鏡的和對于單個薄透鏡，設光闌與之重合，由式=、=和式= 、，得=由垂軸球差公式和初級正弦差公式，得M個相接觸薄透鏡的和 = (21) (22)展開式中的A和B，得 A=+ B=若透鏡在空氣中,，并設，以上的A和B的表達式中的有關因子可表示為： (23)將上式中的有關因子代入A和B的表達式中，經整理后得 + (24) (25)同理，也可以用來表示

19、單薄透鏡的A和B + (26) (27)由以上公式可知，薄透鏡的初級球差，初級正弦差除與物體位置，透鏡玻璃折射率有關外，還與透鏡形式有關。當物體位置和玻璃折射率已經確定，保持光焦度不變時，改變透鏡形狀（稱為整體彎曲），其球差按二次拋物線規律隨的改變而改變；正弦差按直線規律隨的改變而改變。在光學設計中常用這種方法使某種象差符合要求。下面以物體在無限遠時（）的情況為例討論初級球差和初級正弦差隨透鏡形狀變化的性質。當時，初級球差和初級正弦差按和及式（34），（35）寫為： （28)由于初級球差是以為參變量的二次拋物線，應有極值存在，使式（38）對進行一次和二次求導，得因透鏡在空氣中，且物體在無限遠，

20、上二式可寫為 顯然，當0（正透鏡）時，0，球差有極大值；當0，球差有極小值。為求球差的極小值以及透鏡相應的形式，令，得 （29a）把代入初級球差表達式中，得球差的極值為： (29b）由上式知，的正負，對于正透鏡0，為負，且為極大值（絕對值為極小）。對于負透鏡0，為正，且為極小值（絕對值最小）。設，以正透鏡為例，對于不同的彎曲狀況計算出初級球差和初級正弦差，列于表31，并繪成曲線如圖31所示。圖a為正透鏡的初級球差和初級正弦差。圖b為負透鏡的初級球差和初級正弦差（略去了數據，圖中只畫出折射率的情況下的和曲線）。由上圖和表可知：1. 處于最小球差值的透鏡稱為最優良形式，一般說來，透鏡的折射率為最優

21、良形式時，正弦差也接近于零。2. 透鏡的光焦度和入射高度一定時，透鏡的折射率增高，曲率減小，最小球差值也減小。這是由折射面的相對孔徑減小所致。3. 對于一定焦距和相對孔徑的薄透鏡，其最小球差值僅由玻璃折射率決定，是一個常量，因此，單透鏡不能自身校正球差。 4. 同一透鏡對不同位置的物體成象，球差和正弦差值是變化的。5. 透鏡的最優良形式隨物體位置不同而不同。如凸面朝向物體的平凸透鏡只對無限遠的物體是近于最優良形式的，但對近距離物體，它就不是最優良形式了。計算證明，當放大率為-1時的最優良形式的透 圖21 a 正透鏡的初級球差和初級正弦差 b 負透鏡的初級球差和初級正弦差表31正透鏡對于不同的彎

22、曲狀況計算出的初級球差和初級正弦 圖32 放大倍率為-1倍的聚光鏡中二透鏡處于最優良形式鏡為二曲率半徑相等的雙凸透鏡。在一些象差要求不高的系統中，如照明系統，常用處于最優良形式的透鏡來組成，例如圖32中所示的放大率的聚焦鏡，用兩塊凸面相對的平凸透鏡構成，二透鏡中間為平行光，即兩塊透鏡均處于最優良形式。本論文中的單透鏡就采用此法求得初始結構。1、已知： 當d=0.2 ,=3mrad,=66.667， 圖23 單透鏡打孔光路示意圖求得初始結構為：R1=10.0289 d1=5 SF4R2=196 d2=11.35 優化前的波前圖、傳遞函數、點列圖等各圖形如下： 圖24 波前圖圖25 傳遞函數 圖2

23、6 點列圖優化后的波前圖、傳遞函數、點列圖等各圖形如下：圖27 波前圖圖28 傳遞圖29 點列圖2、當d=0.3mm, =3mrad.=100，優化后的波前圖、傳遞函數、點列圖等各圖形如下：圖210波前圖圖211 傳遞函數曲線圖2-12 點列圖3.3 小結 圖2-13 激光打孔機外光路系統示意圖1標準光欄；21.06過濾片；3轉鏡；4聚焦透鏡；5工件；A激光束；B擴束；C擴展光束；f焦距激光打孔用光學系統的主要功能是：將激光輸送到加工部位，調整輻射參數，構成高功率密度的光束，通過目視使激光對準加工點，控制加工過程，估計加工結果。具體功能如下（見上圖315）：1、改變打孔用激光器發出光的輸出方向，將激光引導到