電子元件、醫(yī)療設(shè)備、傳感器、計算機、航空電子等設(shè)備的制造商需要一些零件，它們具有微型尺寸，復(fù)雜的外形和小孔形狀。紡織工業(yè)使用的噴絲頭和火車柴油機的噴油嘴就是這樣的例子，這兩個實例都是金屬零件，在上面鉆了精細的小孔。這些典型的小孔尺寸為50-100μm，小孔深度達2mm。

與線切割放電加工，化學(xué)蝕刻，機械加工/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，這是因為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)動機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，因為在打孔方向上直徑不斷在增加。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，比如在氣體渦輪機制造中的冷卻小孔，或者在燃料供給系統(tǒng)中的過濾器，都使用了激光，它已成為一個普遍的工具。在這些應(yīng)用中，應(yīng)用脈寬為幾個微秒的單脈沖進行激光鉆孔或者沖擊鉆孔能夠得到的鉆孔速度較高。但是因為激光加工主要是個加熱過程，激光鉆孔導(dǎo)致孔內(nèi)殘留有熔化層。由高強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，總是打在同一個地方，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）所產(chǎn)生的熱滲透深度更淺，然而仍然會殘留熔化層。但是，使用這類激光器時，生產(chǎn)率很低，這是因為在脈沖能量高的情況下，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。在這個技術(shù)中，使用了緊密聚焦的短脈沖激光束，沿著中心點旋轉(zhuǎn)，嚴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。使用這項打孔技術(shù)時，在整個打孔過程中，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30微米的圓形小孔。

為了進行螺旋式打孔，專門打孔的光學(xué)裝置能夠以可變的旋轉(zhuǎn)直徑來對激光光束進行旋轉(zhuǎn)。過去已取得了幾項進展用來實現(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)動時絕對對稱。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)頻率下會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。

為了克服這個問題，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現(xiàn)激光光束的旋轉(zhuǎn)，它被安裝到一個空心軸傳動高速電動機上。 激光束被嚴格的調(diào)整，對準(zhǔn)道威棱鏡的中心，當(dāng)旋轉(zhuǎn)棱鏡一次的時候，激光就旋轉(zhuǎn)兩次。若相對于旋轉(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圓形。在與旋轉(zhuǎn)軸平行的方向上移動激光光束，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機兩倍的速度旋轉(zhuǎn)，達到每秒660次/每秒。這就補償了當(dāng)光束輻射到表面時激光強度的波動，得到了質(zhì)量很高的小孔。使用這項技術(shù)，可以得到圓錐形的小孔（正負錐角均可）。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)頻率可以達到40000轉(zhuǎn)/分鐘。能夠在2mm厚的材料上打直徑比高達2的錐形小孔。新型光學(xué)裝置的主要優(yōu)勢是掃描頻率很高，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鋼。在少于25秒的時間內(nèi)，脈沖激光穿透金屬薄板，打了一個直徑為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。在金屬組件上進行直徑范圍在幾個微米內(nèi)的高精度打孔時通常都使用短脈沖，或者超短脈沖激光。使用這個新型的激光打孔頭，就可以使用納秒激光器，這就使得在生產(chǎn)成本較低時，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，小孔直徑可以達到10-20μm。到目前為止，檢驗了厚度達2mm的工具鋼和高級鋼。要得到這些幾何形狀，又實現(xiàn)精度要求，對于傳統(tǒng)型打孔來說必須花大量開支才能實現(xiàn)。在這些方面，這一技術(shù)找尋到了潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。