CN103692089B - 激光切割装置及其切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种激光切割装置及其切割方法，其中，该激光切割装置包括：激光发射模块，用于发出对于待加工物具有透射性的波长的激光光束；分光模块，将所述激光发射模块发出的激光光束分解为若干束；发散角调节模块，其对应所述分光模块分解形成的若干束激光光束，并分别改变所述若干束激光光束的发射角；合束模块，其将若干束经所述发散角调节模块改变发射角的激光光束合束为具有相同传播方向的激光光束；聚焦透镜，其将经所述合束模块合束形成的激光光束进行会聚，从而在光轴上形成多个间距可调的焦点。本发明提供的激光切割装置，其加工精度高，且可满足较大厚度材料的加工需求。

Description

激光切割装置及其切割方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光切割装置、以及相应的激光切割方法。
背景技术
利用激光对加工对象进行切割已经是激光加工领域中常见工艺，传统的激光切割方式是将激光会聚于物体表面，当所用的激光功率比较大时，材料便发生熔化、气化、等离子化等物理及化学变化，当加工功率足够大时，加工对象即可沿着发生上述变化的位置断开，从而实现切割加工对象物的目的，这种方式所用到的激光器种类较多，如脉冲激光与连续激光。切割厚钢板时会使用最大激光平均功率达到千瓦甚至万瓦级的CO2激光器。
这种方法的缺陷是，当被加工对象的精细度要求较高时，利用大功率激光器往往引入过多的热影响区域，无法满足应用要求。同时，从激光的聚焦特性来看，聚焦光斑较大时，焦深较长可以切割较厚的材料，但是大的聚焦光斑在加工过程中会引入过多的热量，导致很大的热影响区域，且大的光斑无法实现精细切割；如果选用较小的聚焦光斑，则焦深很浅，只能切割很薄的材料，这也限制了激光切割的应用范围。
有鉴于此，需要提供一种激光切割装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种激光切割装置，其可以在满足加工精细度要求的同时，对具有较大厚度的待加工物进行切割。
本发明的目的还在于提供一种激光切割方法。
为实现上述发明目的之一，本发明提供一种激光切割装置，所述激光切割装置包括：
激光发射模块，用于发出对于待加工物具有透射性波长的激光光束；
分光模块，将所述激光发射模块发出的激光光束分解为若干束；
发散角调节模块，其对应所述分光模块分解形成的若干束激光光束，并分别改变所述若干束激光光束的发射角；
合束模块，其将若干束经所述发散角调节模块改变发射角的激光光束合束为具有相同传播方向的激光光束；
聚焦透镜，其将经所述合束模块合束形成的激光光束进行会聚，从而在光轴上形成多个间距可调的焦点。
作为本发明的进一步改进，所述激光切割装置还包括功率调节模块，所述功率调节模块对应所述分光模块分解形成的若干束激光光束，并分别改变所述若干束激光光束的功率。
作为本发明的进一步改进，所述分光模块包括偏振分光镜或衍射分光镜，所述分解得到的若干束激光光束经所述功率调节模块调节后与所述激光发射模块发出的激光光束的能量分布及发射角相同。
作为本发明的进一步改进，所述分光模块分解得到的激光光束的数量大于2束，且小于16束。
作为本发明的进一步改进，所述发散角调节模块包括与所述分光模块分解得到的激光光束的数量对应的若干发散角调节单元，任一所述发散角调节单元包括一组凹凸透镜或一对凸透镜。
作为本发明的进一步改进，所述合束模块包括与所述若干发散角调节单元分别对应的若干合束镜。
作为本发明的进一步改进，所述激光切割装置还包括光路调节模块，所述光路调节模块将所述分光模块分解得到的若干激光光束的传播方向调节为大致平行。
作为本发明的进一步改进，所述聚焦透镜的数值孔径大于0.4。
为实现上述另一发明目的，本发明提供一种激光切割方法，该方法包括以下步骤：
针对待加工物选取具有合适投射率的激光光束；
将所述激光光束分解为若干束，并分别调节分解形成的若干束激光光束的发射角；
将经改变发射角的若干束激光光束合束为具有相同传播方向的激光光束，并会聚在光轴上形成具有间距的多个焦点；
将所述多个焦点导入待加工物的预定切割位置，在所述预定切割位置处形成高峰值功率密度柱状通道及应力梯度。
作为本发明的进一步改进，还包括：平面调节待加工物与所述多个焦点之间的相对位置，以实现待加工物预定形状的切割。
与现有技术相比，本发明提供的激光切割装置通过配合设置的激光发射模块、分光模块、发散角调节模块、合束模块、以及聚焦透镜，将发射的激光光束先分解为若干束，并分别对若干束激光光束调节发射角，接着将调节后的若干束激光光束合束为传播方向相同的激光光束，最后会聚在光轴上形成间距可调的多个焦点，该多个焦点在待加工物内部形成高峰值功率柱状通道及应力梯度，使材料分离，达到激光切割的目的，其加工精度高，且可满足较大厚度材料的加工需求。
附图说明
图1是本发明激光切割装置一具体实施方式的模块示意图；
图2是利用本发明激光切割装置切割钢化玻璃一实施例中，钢化玻璃的切面的电镜图；
图3是利用本发明激光切割装置切割钢化玻璃一实施例中，钢化玻璃的切割边缘的电镜图；
图4是利用本发明激光切割装置切割钢化玻璃一实施例中，激光在钢化玻璃内部形成的切割通道的电镜图；
图5是本发明激光切割方法一具体实施方式的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图1，介绍本发明激光切割装置100的一具体实施方式。在本实施方式中，该激光切割装置100包括激光发射模块10、分光模块20、发散角调节模块30、合束模块40、以及聚焦透镜50。在激光光束的光路方向上，激光发射模块10、分光模块20、发散角调节模块30、合束模块40、以及聚焦透镜50依次设置。
激光发射模块10用于发出对于待加工物具有透射性的波长的激光光束L，一般地，可以根据待加工物的不同选取具有合适波长的激光源，通常需采用透射率大于25%的激光光束对待加工物进行切割加工，更加优选地，需针对待加工物材质采用透射率大于50%的激光光束以达到较为满意的切割效果。
分光模块20与激光发射模块10配合设置，自激光发射模块10发出的激光光束经由该分光模块20分解为若干束，分光模块20可以例如包括偏振分光镜或衍射分光镜，为了保证加工效果的可靠，经分光模块20分解得到的激光光束的数量大于2束，且小于16束。
发散角调节模块30对应于分光模块20分解形成的若干束激光光束L1、L2、L3，并可针对每束激光光束L1、L2、L3分别改变其发射角，这样设置的好处是，相对于采用单一衍射光学器件或者折射光学器件，可以实现各束激光光束的发射角可调，进而实现最终会聚形成的焦点的位置、间距、能量密度的可调，在加工过程中获取更佳的灵活性。
具体地，发散角调节模块30包括与分光模块20分解得到的激光光束L1、L2、L3的数量对应的若干发散角调节单元31，任一发散角调节单元31包括一组凹凸透镜或一对凸透镜，每个发散角调节单元31分别调节对应激光光束的发散角。作为优选的实施方式，激光切割装置100还包括光路调节模块，该光路调节模块包括若干反射镜60，该光路调节模块用于将分光模块分解得到的若干激光光束的传播方向调节为大致平行，该光路调节模块（即反射镜60）在分解得到的若干激光光束L1、L2、L3的光路上设置于分光模块20和发散角调节模块30之间，又或者，设置于发散角调节模块30和合束模块40之间。光路调节模块的设置可以将自分光模块20分解得到的激光光束反射至对应的发散角调节单元31，其中的反射镜60的数量可以依据具体的结构要求设计，本实施方式中，以分光模块20将激光光束分解为3束为例，并配合设置2块反射镜将激光光束调节至与激光光束平行的传播方向，这也更加有利于后述的合束模块40的布置，优化装置的结构。同时，由于设置了光路调节模块，可以将激光光束以大致平行的状态送入合束模块40，便于合束模块40的调节，且可以减小合束模块的体积。需要说明的是，这里所说的“大致平行”是指若干束激光光束并非绝对平行，而可以容许一定的公差存在。
作为一优选的实施方式，激光切割装置100还包括功率调节模块（图未示），该功率调节模块对应所述分光模块分解形成的若干束激光光束，并分别改变所述若干束激光光束的功率。这样，通过配合设置的发散角调节模块和功率调节模块，可以实现分解得到的若干束的激光光束L1、L2、L3与原激光光束L的能量分布及发射角相同。
合束模块40将若干束经发散角调节模块30改变发射角的激光光束L1、L2、L3合束为具有相同传播方向的激光光束，聚焦透镜50将经合束模块40合束形成的激光光束进行会聚，从而在光轴上形成多个间距可调的焦点。类似地，合束模块40包括与若干发散角调节单元31分别对应的若干合束镜41，合束镜41的位置需精确调整以保证合束后激光光束传播方向的一致性，提高后续的加工精度。会聚在光轴上的多个具有间距的焦点在待加工物内部形成一高峰值功率密度柱状通道及应力梯度，使材料分离。特殊地，聚焦透镜50的数值孔径优选地大于0.4。需要说明的是，这里所说的“传播方向相同”是指：多束激光光束L1、L2、L3具有一相同的光轴。
经试验测算，本发明提供的激光切割装置100形成的高峰值功率密度柱状通道的长度大于0.6mm,直径小于0.05um。配合脉冲激光，通道内的峰值功率密度可达到1013/cm2以上以实现大部分被加工材料对激光光束的非线性吸收，进行切割时，当峰值功率密度大于109W/cm2，即可使大部分待加工物发生材料的熔化，当峰值功率密度继续上升时，待加工物材料出现气化及等离子化的现象。当配合脉冲宽度小于50ps的激光光束时，可使峰值功率密度大于1013/cm2，这时通道内可实现多光子吸收的非线性效应，使材料改性，在内部及表层形成改性层，最终使材料分离，并且，由于使用超短脉冲激光，所以引入的热量较少，待加工物材料的改性只发生在预定加工位置处的狭长通道内，故切割的边缘质量较好。
在实际的产业利用中，通过设置工作台以承载待加工物，并通过平面传送机构实现工作台与激光切割装置之间的相对位置移动已为业界普通技术人员所熟知，故对于这部分内容在此不作赘述。
以下介绍一个具体应用的加工实施例：
应用环境：钢化玻璃切割
待加工物对象：500um厚钢化玻璃，钢化层厚度：30um
激光切割装置：
   波长：1030nm
   重复频率：50KHZ
   脉冲宽度：20ps
   偏振态：线偏振光
   光束质量：M2＜1.5
   聚焦透镜: NA=0.45, 激光透过率＞60%
   高峰值功率密度柱状通道长度：600um
   高峰值功率密度柱状通道直径：15um
   待加工物相对运动速度：500mm/s。
图2表示待加工物材料的切面图，图中清晰可见，材料的预定加工位置处基本上都被破坏掉，激光脉宽很短，所以切割通道内峰值功率很高，已经达到了多光子吸收的阀值，即使被加工物对象对激光波长透过率比较高，也可以实现材料对激光能量的吸收并实现切割加工。图3表示待加工物切割边缘图，由多点聚焦形成的高峰值功率密度的切割通道，在表面也留下了明显的破坏痕迹，使材料分离更加彻底。图4示出了高峰值能量密度通道在玻璃内部形成的切割通道，通道的长度为400um左右，宽度小于15um。
参图5，介绍本发明激光切割方法的一具体实施方式。在本实施方式中，该方法包括以下步骤：
S1、针对待加工物选取具有合适透射率的激光光束。
针对不同材质的待加工物，需要选取不同波长的激光光束，这里选取的激光光束相对于待加工物的透射率至少要大于25%，优选地，大于50%。
S2、将所述激光光束分解为若干束，并分别调节分解形成的若干束激光光束的发射角。
需要分解得到的激光光束的数量可以根据待加工物的材料厚度决定，更多束的激光光束可以形成更多个的焦点，使得可切割的材料厚度增加，同时，通过调节每束激光光束的发射角，也可以调节焦点的位置、间距、能量密度，加工方式更加灵活。
S3、将经改变发射角的若干束激光光束合束为具有相同传播方向的激光光束，并会聚在光轴上形成间距可调的多个焦点。
激光光束的合束可以使得最终会聚得到的焦点沿纵深方向排列，以实现对待加工物材料厚度方向的切割。
S4、将所述多个焦点导入待加工物的预定切割位置，在所述预定切割位置处形成高峰值功率柱状通道及应力梯度。
这里所说的步骤S4和步骤S3并非存在顺序上的绝对的先后关系，在一些实际的操作过程中，待加工物可以是被保持于加工台上的预定位置处，激光光束在待加工物内部会聚时即被相应地配置于所述的预定切割位置。
S5、平面调节待加工物与所述多个焦点之间的相对位置，以实现待加工物预定形状的切割。
采用本发明提供的激光切割方法，可以对待加工物进行精细切割，切割引入的热量及热影响区域较小，且可进行较大深度的切割作业。
本发明通过上述实施方式，具有以下有益效果：本发明提供的激光切割装置通过配合设置的激光发射模块、分光模块、发散角调节模块、合束模块、以及聚焦透镜，将发射的激光光束先分解为若干束，并分别对若干束激光光束调节发射角，接着将调节后的若干束激光光束合束为传播方向相同的激光光束，最后会聚在光轴上形成间距可调的多个焦点，该多个焦点在待加工物内部形成高峰值功率柱状通道及应力梯度，使材料分离，达到激光切割的目的，并且，形成的高峰值功率柱状通道及应力梯度使得材料分离的更加彻底，避免后续需要辅助进行机械分离，其加工精度高，且可满足较大厚度材料的加工需求。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置包括：
激光发射模块，用于发出对于待加工物具有透射性的波长的激光光束；
分光模块，将所述激光发射模块发出的激光光束分解为若干束；
发散角调节模块，其对应所述分光模块分解形成的若干束激光光束，并分别改变所述若干束激光光束的发射角；
合束模块，其将若干束经所述发散角调节模块改变发射角的激光光束合束为具有相同传播方向的激光光束；
聚焦透镜，其将经所述合束模块合束形成的激光光束进行会聚，从而在光轴上形成多个间距可调的焦点。
2.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置还包括功率调节模块，所述功率调节模块对应所述分光模块分解形成的若干束激光光束，并分别改变所述若干束激光光束的功率。
3.根据权利要求2所述的激光切割装置，其特征在于，所述分光模块包括偏振分光镜或衍射分光镜，所述分解得到的若干束激光光束经所述功率调节模块调节后与所述激光发射模块发出的激光光束的能量分布及发射角相同。
4.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述分光模块分解得到的激光光束的数量大于2束，且小于16束。
5.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述发散角调节模块包括与所述分光模块分解得到的激光光束的数量对应的若干发散角调节单元，任一所述发散角调节单元包括一组凹凸透镜或一对凸透镜。
6.根据权利要求5所述的激光切割装置，其特征在于，所述合束模块包括与所述若干发散角调节单元分别对应的若干合束镜。
7.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置还包括光路调节模块，所述光路调节模块将所述分光模块分解得到的若干激光光束的传播方向调节为大致平行。
8.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述聚焦透镜的数值孔径大于0.4。
9.一种激光切割方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
针对待加工物选取具有合适透射率的激光光束；
将所述激光光束分解为若干束，并分别调节分解形成的若干束激光光束的发射角；
将经改变发射角的若干束激光光束合束为具有相同传播方向的激光光束，并会聚在光轴上形成间距可调的多个焦点；
将所述多个焦点导入待加工物的预定切割位置，在所述预定切割位置处形成高峰值功率密度柱状通道及应力梯度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
平面调节待加工物与所述多个焦点之间的相对位置，以实现待加工物预定形状的切割。
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