一种基于微透镜阵列的激光打孔系统的制作方法

本发明涉及一种基于微透镜阵列的高效激光打孔方法，主要应用于功率要求较低、精度要求较高的微米级孔的获取，尤其涉及30微米以下厚度的铜箔上微米级孔的获取。

背景技术：

目前新能源汽车的发展带动了锂电领域的研究，对锂电池的性能提出了更高的要求。铜箔作为锂电池负极载流体，成为研究重点。多孔铜箔因其可以降低锂电池的重量，提高对负极材料的承载量，提高锂电池比容量，引起广泛关注。

目前，多孔铜箔主要通过在10微米以下厚度的铜箔上利用激光打孔技术制备。采用这种方法，最主要的问题是效率过低。现有激光打孔方法单次动作只能制备出一个孔，由于多孔铜箔上孔的密度较高，单位面积上孔的数量规模巨大，如果采用现有激光打孔技术，则加工效率过低，使得成本过高，难以投入量产。

微透镜阵列是将通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜按照一定规律进行周期性排布而组成的阵列，阵列中每一个单元都具有透镜的功能，平行光束通过微凸透镜阵列后，可以在其焦平面上得到一组规则分布的焦点，在焦平面会聚的光线通过微凹透镜阵列后，将变为平行光束。

技术实现要素：

针对现有激光打孔方法效率低的问题，本发明拟提供一种基于微透镜阵列的激光打孔系统，提高单次动作获得的孔的数量，从而大幅提升激光打孔的效率。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下。

本发明提供了一种基于微透镜阵列的激光打孔系统，所述激光打孔系统包括激光发射装置、微透镜阵列，其中，微透镜阵列包括至少两组微透镜阵列，分别为微凸透镜阵列和微凹透镜阵列；其中微凸透镜阵列由若干个同样焦距的微凸透镜排列而成，构成所述微凸透镜阵列的若干个微凸透镜位于同一平面，即所有微凸透镜垂直于其主光轴的对称轴位于同一平面。所述微凹透镜阵列由若干个同样焦距的微凹透镜排列而成，构成所述微凹透镜阵列的若干个微凹透镜位于同一平面，即所有微凹透镜垂直于其主光轴的对称轴位于同一平面；所述微凹透镜阵列所包含的微凹透镜个数与组成微凸透镜阵列的微凸透镜个数一样，且微凹透镜阵列的排布与微凸透镜阵列的排布一致。所述微凸透镜阵列和微凹透镜阵列在垂直主光轴的方向平行放置，且微凸透镜和微凹透镜呈一一对应，两者的主光轴在一条线上。同时，微凹透镜的焦距小于微凸透镜的焦距，且微凸透镜阵列和微凹透镜阵列的焦平面重合。所述激光发射装置发射的激光为平行光束。所述激光发射装置和微透镜阵列装配关系满足激光发射装置发射的激光光束入射方向与微透镜主光轴方向平行。工作时，激光发射装置发射激光，平行激光束垂直入射微透镜阵列，依次通过微凸透镜阵列和微凹透镜阵列，入射束经过微透镜阵列后，形成若干束平行出射光束，这些出射光束作用在铜箔上，进行铜箔的激光打孔；其中平行出射光束的个数等于阵列中微凸透镜个数，平行出射光束的直径对铜箔上激光打孔的孔径有重要影响。

进一步地，所述激光发射装置的功率30~1000w；激光光束的直径1~5mm。

进一步地，所述微凸透镜阵列由由1~100个微凸透镜和1~100个微凹透镜排列而成，且微凹透镜个数与微凸透镜个数相同；所述微凸透镜焦距0.5~5mm，微凹透镜焦距0.6~6mm。

本发明中，关于上述系统中使用的激光发射装置，由于现有技术已有详细说明，本发明中不在赘述。

本发明还提供了上述基于微透镜阵列的激光打孔系统在锂电池负极用多孔铜箔制备中的应用，其中铜箔厚度5~100微米。

应用本发明的激光打孔系统，只要根据所要制备的多孔铜箔的孔的分布情况，加工微透镜阵列，微透镜单元分布情况与所制备孔的分布情况相同。另外，本发明提供的激光打孔系统，制备简单，可以在现有激光打标机的基础上进行改进，在激光镜头下方安装微凸透镜阵列和微凹透镜阵列，并使两者焦平面重合，则可以实现将一束激光按照所要制备的孔的分布情况分为多束激光，从而提高单次动作获得的孔的数量。

由于微米级铜箔的厚度很薄，击穿铜箔所需要的能量很低，经分化后的激光束的功率足以支持在铜箔上造孔。本发明的优点在于：只需在现有激光打标机的基础上进行简单改造，增加微透镜阵列，即可大幅提升激光打孔的效率，对于多孔铜箔的量产具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一种基于微透镜阵列的激光打孔系统的工作原理示意图。

其中：d为入射激光束的直径，d为出射激光束的直径。

图2为激光发射装置与微透镜阵列装配后在铜箔上打孔的示意图。

图3为本发明实施例1所获得的多孔铜箔扫描电镜照片。

图4为本发明实施例2所获得的多孔铜箔扫描电镜照片。

具体实施方法

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如附图1所示，为本发明一种基于微透镜阵列的激光打孔系统的工作原理示意图，图中的微透镜阵列1为微凸透镜阵列、微透镜阵列2为微凹透镜阵列，两者构成本发明激光打孔系统的微透镜阵列，激光发射装置发射平行激光束形成附图1中的入射激光束，入射激光束垂直入射在微透镜阵列上，依次经过微凸透镜阵列和微凹透镜阵列，由于微凸透镜阵列和微凹透镜阵列两者的焦平面重合，最后从微透镜阵列出射出多束激光束，出射激光束数量与微凸透镜或者微凹透镜数量一致，这些出射激光束作用在铜箔上，进行激光打孔，在铜箔上形成的孔径与出射激光束的直径相近，且铜箔上形成的孔的分布与微透镜阵列中微透镜的排布一致。

下述各实施例中使用的基于微透镜阵列的激光打孔系统，采用现有的激光打标机中的激光发射装置即附图2中的激光器，其中功率为30~1000w；激光光束的直径1~5mm。将该激光发射装置与微透镜阵列装配，形成下述各实施例中使用的基于微透镜阵列的激光打孔系统，装配关系如附图2所示。

实施例1：

本实施例中微透镜阵列的分布为蜂窝六方形，含91个微凸透镜和91个微凹透镜，其中微凸透镜的焦距为0.5mm，微凹透镜的焦距为0.6mm，直径为1mm的入射激光光束经微透镜阵列后，形成多束直径约90微米的出射激光束，作用在5微米厚度的铜箔上，制得具有与微透镜阵列一样分布的多孔的铜箔。如附图3为本实施例所获得的多孔铜箔扫描电镜照片。

实施例2

本实施例中微透镜阵列的分布为蜂窝六方形，含16个微凸透镜和16个微凹透镜，其中微凸透镜的焦距为5mm，微凹透镜的焦距为6mm，直径为5mm的入射激光光束经微透镜阵列后，形成多束直径约300微米的出射激光束，作用在100微米厚度的铜箔上，制得具有与微透镜阵列一样分布的多孔的铜箔。如附图4为本实施例所获得的多孔铜箔扫描电镜照片。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于微透镜阵列的激光打孔系统，该系统包括激光发射装置、微透镜阵列，其中，微透镜阵列包括至少两组微透镜阵列，分别为微凸透镜阵列和微凹透镜阵列；其中微凸透镜阵列由若干个同样焦距的微凸透镜排列而成，微凹透镜阵列与微凸透镜阵列的排布一致，且微凸透镜和微凹透镜呈一一对应，两者的主光轴在一条线上。同时微凸透镜阵列和微凹透镜阵列的焦平面重合。激光发射装置发射平行激光光束，垂直入射微透镜阵列，依次通过微凸透镜阵列和微凹透镜阵列，形成若干束平行出射光束，作用在铜箔上，进行铜箔的激光打孔。本发明可大幅提升激光打孔的效率，对于多孔铜箔的量产具有重要意义。

技术研发人员：胡春永;姚悦;尤方杰;韩屾;程远;姜子玮;刘嘉斌
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2019.05.23
技术公布日：2019.08.23