可進(jìn)行精確螺旋狀鉆孔的短脈沖激光器
與線切割放電加工，化學(xué)蝕刻，機(jī)械加工/切割，電鑄，以及其他加工技術(shù)相比，激光打孔設(shè)備的性能要好，這是因?yàn)?span id="df9jvf1" class=hrefStyle>激光加工是非接觸式的，并且更靈活。此外，加工過程所受的限制更少，不需要進(jìn)行昂貴的廢棄物處理，工具的成本也更合理。與放電加工相比，激光打孔能夠得到更高的長度直徑比，此外，它能夠?qū)Ω鞣N材料進(jìn)行打孔，包括陶瓷，硅，鉆石和聚合物。
用于打孔的光學(xué)裝置
由于使用了靈活的激光光束來掃描，甚至非圓形且具有復(fù)雜外形的小孔都可以得到。在制造尺寸很小的孔的方面，已經(jīng)有一系列非接觸、無摩擦的技術(shù)，它們使用了緊密聚焦的光束，這些技術(shù)已經(jīng)在微電子制造工藝和發(fā)動(dòng)機(jī)零件的制造中建立了一定地位。如果小孔必須是圓錐形，將遇到特別的困難，因?yàn)樵诖蚩追较蛏现睆讲粩嘣谠黾�。這種幾何形狀在一些零件中是需要的，比如噴嘴組件，它們從反向是無法達(dá)到的。Fraunhofer激光技術(shù)研究中心（ILT）的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了這樣的打孔技術(shù)，使用了一種新型的精確打孔的光學(xué)裝置，它能夠提供很高的掃描速度，且能得到的小孔幾何準(zhǔn)確率更高。
60ìm的小孔
使用激光輻射來打孔已經(jīng)在各種工業(yè)應(yīng)用中已確立其地位。激光技術(shù)從手表工業(yè)首先開始其應(yīng)用。當(dāng)需要在節(jié)能條件下得到高深寬比的小孔時(shí)，比如在氣體渦輪機(jī)制造中的冷卻小孔，或者在燃料供給系統(tǒng)中的過濾器，都使用了激光，它已成為一個(gè)普遍的工具。在這些應(yīng)用中，應(yīng)用脈寬為幾個(gè)微秒的單脈沖進(jìn)行激光鉆孔或者沖擊鉆孔能夠得到的鉆孔速度較高。但是因?yàn)榧す饧庸ぶ饕莻�(gè)加熱過程，激光鉆孔導(dǎo)致孔內(nèi)殘留有熔化層。由高強(qiáng)度的激光脈沖熔化或者汽化的材料在被自己的蒸汽傳送出去以前，會(huì)在孔壁上凝結(jié)或者重鑄。在沖擊鉆孔中更是如此，這里激光束沒有移動(dòng)，總是打在同一個(gè)地方，這導(dǎo)致所產(chǎn)生的熔化體積很大。更短的脈沖（在飛秒和皮秒量級(jí)）所產(chǎn)生的熱滲透深度更淺，然而仍然會(huì)殘留熔化層。但是，使用這類激光器時(shí)，生產(chǎn)率很低，這是因?yàn)樵诿}沖能量高的情況下，激光功率不夠。
使用稱為螺旋式打孔/穿孔法的打孔技術(shù)就可以克服這些質(zhì)量和生產(chǎn)率方面的限制。在這個(gè)技術(shù)中，使用了緊密聚焦的短脈沖激光束，沿著中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)格的描繪出小孔的幾何外型。打孔過程中，每一小部分材料相繼的被蒸發(fā)，范圍限定得很好的激光脈沖被旋轉(zhuǎn)和重疊使用。使用這項(xiàng)打孔技術(shù)時(shí)，在整個(gè)打孔過程中，孔壁一直被加熱，這就阻止了重新凝固的過程和白色厚層的產(chǎn)生。使用了這項(xiàng)技術(shù)，甚至在納秒范圍的“長”脈沖也可以被使用，從而使得較大量材料的蒸發(fā)和更高的生產(chǎn)率成為可能，能夠得到使用皮秒脈沖才能得到的效果。螺旋式打孔的光學(xué)裝置取決于激光束的可聚焦性，它能夠在厚度為1mm的材料上打出直徑達(dá)30微米的圓形小孔。
為了進(jìn)行螺旋式打孔，專門打孔的光學(xué)裝置能夠以可變的旋轉(zhuǎn)直徑來對(duì)激光光束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。過去已取得了幾項(xiàng)進(jìn)展用來實(shí)現(xiàn)激光束旋轉(zhuǎn)的高精度，它們使用了傳統(tǒng)的振鏡掃描儀，旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡，以及離軸旋轉(zhuǎn)透鏡。所有這些設(shè)備都需要高光束質(zhì)量，并要求激光光束轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)絕對(duì)對(duì)稱。若為橢圓型的激光束或者在形狀上有其他偏差，將產(chǎn)生不圓的小孔。此外，這些設(shè)備的掃描頻率的最大值是3000轉(zhuǎn)/分鐘。在這個(gè)掃描頻率下，孔壁的連續(xù)加熱無法得到保證，或者說，在激光器的高重復(fù)頻率下會(huì)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。
為了克服這個(gè)問題，F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)研究中心研制了一種新型的激光打孔頭。光束旋轉(zhuǎn)棱鏡，即所謂的道威棱鏡被用來實(shí)現(xiàn)激光光束的旋轉(zhuǎn)，它被安裝到一個(gè)空心軸傳動(dòng)高速電動(dòng)機(jī)上。 激光束被嚴(yán)格的調(diào)整，對(duì)準(zhǔn)道威棱鏡的中心，當(dāng)旋轉(zhuǎn)棱鏡一次的時(shí)候，激光就旋轉(zhuǎn)兩次。若相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸將激光光束傾斜，通過聚焦透鏡后，光束將在激光光束旋轉(zhuǎn)的方向上刻畫出一個(gè)圓形。在與旋轉(zhuǎn)軸平行的方向上移動(dòng)激光光束，激光光束將以一定的入射角來刻畫圓形。雙錐型旋轉(zhuǎn)光束深入到材料內(nèi)部較深處，像螺旋式的階梯，在底部變得更寬。棱鏡特有的幾何形狀也導(dǎo)致激光光束可以沿著軸向以電動(dòng)機(jī)兩倍的速度旋轉(zhuǎn)，達(dá)到每秒660次/每秒。這就補(bǔ)償了當(dāng)光束輻射到表面時(shí)激光強(qiáng)度的波動(dòng)，得到了質(zhì)量很高的小孔。使用這項(xiàng)技術(shù)，可以得到圓錐形的小孔（正負(fù)錐角均可）。只有使用專門的調(diào)整設(shè)備，才可能使用道威棱鏡作為光束旋轉(zhuǎn)器和掃描設(shè)備，該調(diào)整設(shè)備與道威棱鏡安裝在一起可以補(bǔ)償光束旋轉(zhuǎn)器的典型誤差，即導(dǎo)致小孔不圓的誤差。
小孔樣品
新開發(fā)的鉆孔光學(xué)裝置使得激光光束的旋轉(zhuǎn)頻率可以達(dá)到40000轉(zhuǎn)/分鐘。能夠在2mm厚的材料上打直徑比高達(dá)2的錐形小孔。新型光學(xué)裝置的主要優(yōu)勢(shì)是掃描頻率很高，用來設(shè)置直徑和激光光束傾角的所有設(shè)備都不旋轉(zhuǎn)，此外，搭建時(shí)只要它們能提供很高的精度即可。
螺旋式打孔入口處
使用這一光學(xué)裝置和調(diào)Q的Nd:YAG激光器（脈寬15納秒，脈沖能量600到800μJ），F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)研究中心的研究人員加工了有2 毫米厚的工具鋼和高等級(jí)鋼。在少于25秒的時(shí)間內(nèi)，脈沖激光穿透金屬薄板，打了一個(gè)直徑為50微米的小孔。小孔中殘留的熔化層厚度僅有1-2μm，材料頂部熔化物可以通過超聲波清洗方便地去除。在金屬組件上進(jìn)行直徑范圍在幾個(gè)微米內(nèi)的高精度打孔時(shí)通常都使用短脈沖，或者超短脈沖激光。使用這個(gè)新型的激光打孔頭，就可以使用納秒激光器，這就使得在生產(chǎn)成本較低時(shí)，生產(chǎn)率能夠較高。使用更短波長的脈沖（綠色或者紫外）能夠得到更小的光斑尺寸，在一些經(jīng)挑選的材料上，小孔直徑可以達(dá)到10-20μm。到目前為止，檢驗(yàn)了厚度達(dá)2mm的工具鋼和高級(jí)鋼。要得到這些幾何形狀，又實(shí)現(xiàn)精度要求，對(duì)于傳統(tǒng)型打孔來說必須花大量開支才能實(shí)現(xiàn)。在這些方面，這一技術(shù)找尋到了潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
