CN102319958A

CN102319958A - 脆性材料脉冲激光切割方法

Info

Publication number: CN102319958A
Application number: CN201110238153A
Authority: CN
Inventors: 倪晓武; 刘剑; 秦渊; 沈中华; 陆建
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种脆性材料脉冲激光切割方法，它通过脉宽为毫秒量级的脉冲激光器、计算机、电动平移台等组成的装置来实施对脆性板形材料的切割。利用线偏振激光可在材料表面形成狭长型烧蚀区域以及脆性材料易断裂的特性，使脆性板形材料表面沿扫描方向形成间隔式分布且不相互交叠的狭长型烧蚀区域，再利用该烧蚀区域两端的应力，使材料断裂将相邻的烧蚀区域连接在一起完成切割。本发明采用线偏振激光形成的狭长型烧蚀区域可减少对材料的浪费，烧蚀区域间通过材料断裂完成切割，断裂面光滑整洁，切割质量高；烧蚀区域间隔式分布，不需要相互交叠，所需激光能量小，切割速度快，可广泛应用于对玻璃、陶瓷、半导体等脆性板形材料的切割中。

Description

脆性材料脉冲激光切割方法

技术领域

本发明涉及一种激光切割方法，特别是一种依据线偏振激光辐照脆性材料过程中引发的热应力完成板形脆性材料断裂切割的方法。

背景技术

现有关于脆性材料的激光切割技术，大多采用连续激光沿直线在脆性板形材料表面进行扫描，利用激光束经透镜聚焦后产生的高密度能量，使材料在短时间内熔化甚至气化，然后用辅助吹气将熔渣吹除，进而通过移动激光束形成连续的烧蚀区域完成切缝。这类激光切割方法多使用圆偏振激光来形成连续的烧蚀区域将材料熔断，过程中所需激光能量大且存在切割速度慢、切割面粗糙、浪费材料等缺点。《Applied Physics A》1999年68期中报道了由S.Nolte等发表的题为“Polarization effects in ultrashort-pulse laserdrilling”的文章，其中对材料在线偏振激光作用下形成了狭长椭圆形烧蚀孔的机理进行了分析，认为是由于线偏振激光的极化方向对激光能量在材料表面的能量沉积状况产生的影响，在线偏振激光的辐照下，材料表面沿极化方向产生狭长型烧蚀区域。《Journal OfApplied Physics》2002年92卷3期中报道了由K.Venkatakrishnan等发表的题为“Theeffect of polarization on ultrashort pulsed laser ablation of thin metal films”的文章，文中对脉冲式线偏振激光沿金属材料表面扫描的情况进行了分析。当激光能量密度略高于材料熔融阈值时，线偏振激光辐照下可以观察到明显的狭长形烧蚀区域，而当激光能量密度远高于材料熔融阈值时，烧蚀区域仍为圆形。相比于圆偏振激光的扫描过程圆形烧蚀区域，线偏振光扫描过程中激光的极化方向和扫描方向保持一致时情况下，狭长形烧蚀区域容易发生交叠，因而易沿激光扫描方向形成切缝，从而完成对材料的切割。但上述文章只是针对金属材料进行了分析，线偏振激光扫描情况下完成对金属材料的切割仍需要高能激光在材料表面形成连续性的烧蚀区域。

发明内容

本发明的目的是提供一种在切割过程中所需激光能量小，切割速度快、切割面光滑且能有效节省材料的脆性材料脉冲激光切割方法。

本发明目的是通过以下技术方案实现的，脆性材料脉冲激光切割方法，它是在由脉冲激光器、电动平移台、光学组件以及电子计算机构成的脉冲激光切割系统中完成，其具体实现步骤如下：

步骤1：将待切割脆性板材固定在脉冲激光切割系统中的电动平移台上面；

步骤2：启动脉冲激光切割系统，通过计算机控制调整激光的脉宽、频率、单脉冲输出能量，并使系统激光器发出的线偏振激光束经光学组件中的反射镜和聚焦透镜后辐照在脆性板材的表面被切割一端的边缘；

步骤3：在激光器工作的同时启动电动平移台，由计算机控制使脆性板材在脉冲激光辐照即切割过程中，随电动平移台以固定速度进行一维平移，且切割过程中偏振方向与激光扫描方向保持一致；

步骤4：扫描过程中，由计算机控制调整电动平移台的平移速度和激光频率，使激光在脆性板材上形成沿扫描方向间隔式分布且不发生交叠的狭长型烧蚀区域；

步骤5：利用狭长型烧蚀区域两端产生的拉向热应力，脆性材料会沿激光扫描方向发生自动断裂，将相邻的烧蚀区域连接，从而完成对脆性板材的切割。

上述步骤2中系统输出激光的脉宽、单脉冲能量可调，激光器的单脉冲能量在0.5J～80J范围内可调，激光频率0～100Hz可调；上述步骤4中相邻两狭长型烧蚀区域间的距离D可以通过表达式D＝v/f得到，其中：v为电动平移台移动速度，f为激光频率。

本发明所述方法，它是利用了线偏振激光可在材料表面形成狭长型烧蚀区域以及脆性材料易断裂的特性来对脆性板形材料进行切割，利用线偏振激光在脆性板型材料表面进行扫描，在材料表面沿扫描方向间隔式分布不需要相互交叠的狭长型烧蚀区域，进而利用狭长型烧蚀区域两端的应力，引发材料的断裂将相邻的烧蚀区域连接在一起，最终使脆性材料沿激光扫描方向发生断裂完成切割。

本发明与现有技术相比其显著的优点是：(1)切割过程中利用线偏振激光在脆性板形材料表面进行扫描，相比于圆偏振光扫描模式，材料表面所形成的狭长形烧蚀区域更容易使材料沿切割方向分离；(2)扫描过程中烧蚀区域间隔式分布，不需要相互交叠，而是靠热应力诱发沿扫描方向产生的断裂来完成烧蚀区域的连接，切割所需激光能量小；(3)利用脆性材料断裂完成的切割，相比于现有烧蚀得到的切割面断面光滑平整，切割质量高，不仅减少了材料的浪费，还可以简化后续加工工序；(4)由于扫描过程中不需要烧蚀区域发生交叠，因而切割速度快。本发明可广泛应用于对玻璃、陶瓷、半导体等脆性板形材料的切割中。

本发明的具体结构由以下附图和实施例给出。

附图说明

图1是根据本发明所述脆性材料脉冲激光切割方法所用系统的工作原理示意图。

图2是切割脆性材料过程中激光扫描方向与激光偏振方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以切割厚度为0.5mm脆性陶瓷板形材料为例，对本发明切割步骤进行详细描述。

本发明方法对0.5mm脆性陶瓷板形材料的加工是在脉冲激光切割系统中完成，参见图1，该系统是由脉冲激光器1、反射镜2，聚焦透镜3、电动平移台5以及计算机4组成。其具体实现步骤如下：

步骤1：将待切割0.5mm脆性陶瓷板固定在脉冲激光切割系统中的电动平移台上面；

步骤2：启动脉冲激光切割系统，利用计算机对单脉冲能量和激光频率在0.5J～80J和0～100Hz范围内进行调节，本例激光能量调节为2J，激光频率为10Hz，脉宽为1毫秒；该线偏振激光束经光学组件中的反射镜和聚焦透镜后辐照在脆性板材的表面被切割一端的边缘中心位置；

步骤3：激光器工作的同时启动电动平移台，由计算机控制将电动平移台的平移速度调整为25mm/s；激光辐照过程中，材料随电动平移台保持固定速度进行一维平移，切割过程中偏振方向与激光扫描方向保持一致；

步骤4：扫描过程中，在陶瓷板上沿扫描方向得到间隔式分布且不发生交叠的狭长型烧蚀区域，相邻两狭长型烧蚀区域间的距离D可以通过表达式D＝v/f得到，其中：v为电动平移台移动速度，f为激光频率；本例根据该表达式得到相邻两激光辐照区域中心的间距D＝2.5mm；

根据本发明方法对厚度为0.5mm脆性陶瓷板形材料进行切割的激光扫描方向与激光偏振方向见图2所示。

Claims

1.一种脆性材料脉冲激光切割方法，它是在由脉冲激光器、电动平移台、光学组件以及电子计算机构成的脉冲激光切割系统中完成，其具体实现步骤如下：

2.根据权利要求1所述脆性材料脉冲激光切割方法，其特征是上述步骤2中系统输出激光的脉宽、单脉冲能量可调，激光器的单脉冲能量在0.5J～80J范围内可调，激光频率0～100Hz可调。

3.根据权利要求1所述脆性材料脉冲激光切割方法，其特征是上述步骤4中相邻两狭长型烧蚀区域间的距离D可以通过表达式D＝v/f得到，其中：v为电动平移台移动速度，f为激光频率。