CN106392334B - 一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置以及切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光切割技术领域，公开了一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置，包括激光器、扩束镜、反射镜、延长焦深光学器件和聚焦镜；所述激光器接收外部的脉冲信号形成脉冲包络，扩束镜将所述脉冲包络进行扩束，并被反射镜反射后，依次通过延长焦深光学器件和聚焦镜形成激光光斑，所述聚焦光斑作用在加工材料上形成贯穿其厚度的材料改质通道或材料改质通道集群。本发明保证了加工材料可以沿着预定的路径裂开，实现对加工材料高效的、精密的切割，从而满足高效率、高质量、低损伤阈值的要求。

Description

一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置以及切割方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，更具体的说，特别涉及一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置以及切割方法，通常涉及诸如玻璃、蓝宝石、透明陶瓷等的贯穿切割。

背景技术

化学强化玻璃具有优异的强度和抗损伤性，因而在消费类电子产品中广泛应用。强化玻璃是手机、平板电脑、计算机显示以及其他LCD和LED显示器的盖板材料的首选材料。化学强化玻璃具有处于压力下的表面和处于张力下的内部区域。与中心张力的平方成正比的弹性能储存在此中心拉伸区内。康宁大猩猩玻璃可存在大于750MPa的表面压力和大于40μm的压缩层深度。高表面压力和深表面压缩层对抗刮擦和抗损伤是有益的。但这使得传动的机械加工共制造了困难，易产生爆裂或者分裂位置偏移，造成良品率很低。

激光切割不仅能够连续精确地完成预定曲线图案的切割，还可以实现高度自动化。现有激光加工玻璃技术中，激光切割玻璃技术分为激光热熔切割、激光热分离切割和激光刻蚀切割。激光热熔切割会对玻璃产生强烈的热影响，强化玻璃对热影响很敏感，激光热熔切割很难在强化玻璃上切割应用，激光热分离切割存在圆弧切割路径控制困难。加工完成后，玻璃表面边缘锋利，且玻璃边缘存在热应力。如果发生轻微磕碰，整个玻璃可能发生破碎。超短脉冲激光直接刻蚀玻璃避免进行玻璃切割时产生的热效应，但切割效率不高而且切割玻璃厚度有限制。

国内科研机构已经研发出采用多刀隐形切割技术以及多光点切割技术切割玻璃。多刀切割技术与多光点切割技术存在切割断面能量分布不均匀的缺陷。如在多光点光路结构中，相邻的焦斑之间的能量较低的区域。这种区域的存在产生了加工质量不稳定，断面质量差的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置以及切割方法，能够解决了现有加工方式存在的缺陷，并满足高效率、高质量、低损伤阈值的要求。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置，包括激光器、扩束镜、反射镜、延长焦深光学器件和聚焦镜；

所述激光器接收外部的脉冲信号形成脉冲包络，扩束镜将所述脉冲包络进行扩束，并被反射镜反射后，依次通过延长焦深光学器件和聚焦镜形成激光光斑，所述聚焦光斑作用在加工材料上形成贯穿其厚度的材料改质通道或材料改质通道集群。

所述切割装置还包括切深实时校正单元和Z轴微驱动单元，所述切深实时校正单元用于检测加工材料的表面特征；所述Z轴微驱动单元根据所述表面特征带动延长焦深光学器件和聚焦镜整体沿Z轴方向运动，使聚焦光斑的位置随着加工表面特征的变化而变化。

所述切割装置还包括运动控制单元和XY运动平台，所述XY运动平台带动加工材料沿X和Y方向运动；所述运动控制单元用于检测XY运动平台的运动信息，根据所述运动信息发送脉冲信号给激光器；所述激光器根据接收到的脉冲信号产生脉冲包络，能够控制加工材料内部产生的材料改质通道之间或材料改质通道集群之间的间距。

所述激光器采用脉宽小于100ps的红外皮秒激光器、绿光皮秒激光器、红外飞秒激光器或绿光飞秒激光器中的任意一种。

所述加工材料内材料改质通道的间距为0.5μm-6μm。

所述加工材料内材料改质通道集群之间的间距为3-8μm。

所述扩束镜能够将脉冲包络扩束至3mm-16mm。

所述延长焦深光学器件的型号为EF-003-J-Y-A。

所述Z轴微驱动单元与加工材料上表面之间的距离为0-200μm。

一种透明硬脆材料激光贯穿切割方法，该切割方法具体步骤如下：

第一步：将加工材料放置在聚焦镜的下方，并固定在XY运动平台上；

第二步：设定Z轴微驱动单元的位置；

第三步：设定运动控制单元中脉冲信号的参数，即设定激光器产生脉冲包络间距的距离以及脉冲包络内脉冲串间距的参数；

第四步：打开激光器，使其发出脉冲包络；

第五步：脉冲包络通过扩束镜扩束以及反射镜反射后，依次通过延长焦深光学器件和聚焦镜形成聚集光斑,作用在加工材料内部形成等间距的材料改质通道或材料改质通道集群；

第六步：加工材料沿切割路径自行裂开，即切割完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中通过延长焦深光学器件能够可靠地在加工材料内部形成贯通的材料改质通道，保证了加工材料可以沿着预定的路径裂开，实现对加工材料高效的、精密的切割，从而满足高效率、高质量、低损伤阈值的要求。

2、本发明通过切深实时校正单元检测加工材料的表面特征，Z轴微驱动单元根据其表面特征实现聚集光斑随动，从而保证聚集光斑的位置随着加工表面特征的变化而变化，这样可以有效保证了切割的良率。

附图说明

图1为本发明透明硬脆材料激光贯穿切割装置的原理图。

图2为本发明作用在加工材料上的光路示意图。

图3为本发明脉冲信号的示意图。

图4为本发明加工材料内部形成的材料改质通道示意图。

图5为本发明透明硬脆材料激光贯穿切割方法的流程图。

附图标记说明：1、激光器，2、扩束镜，3、反射镜，4、延长焦深光学器件，5聚焦镜，6、切深实时校正单元，7、Z轴微驱动单元，8、加工材料，9、XY运动平台；10、运动控制单元。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明提供的一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置，包括激光器1、扩束镜2、反射镜3、延长焦深光学器件4和聚焦镜5。

所述激光器1接收外部的脉冲信号形成脉冲包络，扩束镜2将所述脉冲包络进行扩束，并被反射镜3反射后，依次通过延长焦深光学器件4和聚焦镜5形成激光光斑，所述聚焦光斑作用在加工材料8上形成贯穿其厚度的材料改质通道或材料改质通道集群(参阅图2A所示)。

本实施例中，为了安装方便也为了保证功能可靠，所述反射镜3、延长焦深光学器件4和聚焦镜5由上之下依次设置在加工材料8的上方，所述激光器1和扩束镜2水平设置在反射镜3的一侧。

上述中，所述切割装置还包括切深实时校正单元6和Z轴微驱动单元7，所述Z轴微驱动单元7上安装延长焦深光学器件4和聚焦镜5，切深实时校正单元6水平设置在Z轴微驱动单元7的一侧。所述切深实时校正单元6用于检测加工材料8的表面特征，Z轴微驱动单元7根据所述表面特征带动延长焦深光学器件4和聚焦镜5整体沿Z轴方向即上下运动(参阅图2B所示)，从而保证聚焦光斑的位置随着加工表面特征的变化而变化。

上述中，所述切割装置还包括基于位置触发的运动控制单元10和XY运动平台9，所述XY运动平台9上设置有加工材料8，并带动加工材料8沿X和Y方向运动。所述运动控制单元10用于检测XY运动平台9的运动信息，根据所述运动信息发送脉冲信号给激光器1。所述激光器1根据接收到的脉冲信号产生脉冲包络，可以控制加工材料8内部产生的材料改质通道之间或材料改质通道集群之间的间距。所述脉冲包络包含1个或多个脉冲串，而脉冲串又包含多个脉冲，参阅图3所示。

所述激光器1采用脉宽小于100ps的红外皮秒激光器、绿光皮秒激光器、红外飞秒激光器或绿光飞秒激光器中的任意一种。

所述激光器1产生脉冲包络内的脉冲串在加工材料8内部形成间距为0.5μm-6μm材料改质通道，参阅图4所示，形成材料改质通道集群之间的间隔为3-8μm。材料改质通道能够改变材料内部的应力分布，材料借助其自身应力或者施加外部条件增强材料的内部应力作用，沿切割路径自行裂开。

所述扩束镜2能够将脉冲包络扩束至3mm-16mm，使脉冲包络进入延长焦深光学器件4和聚焦镜5，形成聚焦光斑的焦深能够贯穿所述加工材料8。

根据需要切割的加工材料8的切割厚度，选择聚焦焦深可以贯穿透明材料的延长焦深光学器件4，使其聚焦光斑在加工材料8内部形成材料改质通道，使得整个材料改质通道贯穿加工材料8。在本实例中，采用的延长焦深光学器件4的型号为EF-003-J-Y-A，功能可靠并可以满足要求。

所述Z轴微驱动单元7与加工材料8上表面之间的距离为0-200μm，这样能够确保材料改质通道可以贯穿加工材料8。

如附图5所示，本发明还提供一种透明硬脆材料激光贯穿切割方法，该切割方法具体步骤如下：

第一步：将加工材料8放置在聚焦镜5的下方，通过真空吸附将加工材料8水平固定在XY运动平台9上。所述加工材料8包括强化玻璃、非强化玻璃、蓝宝石和透明陶瓷等。

第二步：设定Z轴微驱动单元7的位置，确保聚焦光斑作用在加工材料8内部的特定位置。

第三步：设定运动控制单元10中脉冲信号的参数，即设定激光器1产生脉冲包络间距的距离以及脉冲包络内脉冲串间距的参数。

第四步：打开激光器1，使其发出脉冲包络。

第五步：脉冲包络通过扩束镜2扩束以及反射镜3反射后，依次通过延长焦深光学器件4和聚焦镜5形成聚集光斑,作用在加工材料8内部形成等间距的材料改质通道或材料改质通道集群，可以改变加工材料8内部的应力分布。

第六步：加工材料8借助其自身应力或者施加外部条件增强其内部应力作用，能够沿切割路径自行裂开，即切割完成。

本发明中，采用延长焦深光学器件4可以在有效焦深范围内，激光能量分布均匀，不存在类似多光点光路中的低能量区域，且加工后的材料断面光滑整齐，切割质量稳定，在激光加工透明硬脆材料市场会有广泛应用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种透明硬脆材料激光贯穿切割装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束镜(2)、反射镜(3)、延长焦深光学器件(4)和聚焦镜(5)；

所述激光器(1)接收外部的脉冲信号形成脉冲包络，扩束镜(2)将所述脉冲包络进行扩束，并被反射镜(3)反射后，依次通过延长焦深光学器件(4)和聚焦镜(5)形成激光光斑，所述激光光斑作用在加工材料(8)上形成贯穿其厚度的材料改质通道或材料改质通道集群；

所述切割装置还包括运动控制单元(10)和XY运动平台(9)，所述XY运动平台(9)带动加工材料(8)沿X和Y方向运动；所述运动控制单元(10)用于检测XY运动平台(9)的运动信息，根据所述运动信息发送脉冲信号给激光器(1)；所述激光器(1)根据接收到的脉冲信号产生脉冲包络，能够控制加工材料(8)内部产生的材料改质通道之间或材料改质通道集群之间的间距；

所述加工材料(8)内材料改质通道的间距为0.5μm-6μm。

2.根据权利要求1所述的透明硬脆材料激光贯穿切割装置，其特征在于：所述切割装置还包括切深实时校正单元(6)和Z轴微驱动单元(7)，所述切深实时校正单元(6)用于检测加工材料(8)的表面特征；所述Z轴微驱动单元(7)根据所述表面特征带动延长焦深光学器件(4)和聚焦镜(5)整体沿Z轴方向运动，使激光光斑的位置随着加工表面特征的变化而变化。

3.根据权利要求1所述的透明硬脆材料激光贯穿切割装置，其特征在于：所述激光器(1)采用脉宽小于100ps的红外皮秒激光器、绿光皮秒激光器、红外飞秒激光器或绿光飞秒激光器中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的透明硬脆材料激光贯穿切割装置，其特征在于：所述加工材料(8)内材料改质通道集群之间的间距为3-8μm。

5.根据权利要求1或4所述的透明硬脆材料激光贯穿切割装置，其特征在于：所述扩束镜(2)能够将脉冲包络扩束至3mm-16mm。

6.根据权利要求5所述的透明硬脆材料激光贯穿切割装置，其特征在于：所述延长焦深光学器件(4)的型号为EF-003-J-Y-A。

7.根据权利要求2所述的透明硬脆材料激光贯穿切割装置，其特征在于：所述Z轴微驱动单元(7)与加工材料(8)上表面之间的距离为0-200μm。

8.一种透明硬脆材料激光贯穿切割方法，其特征在于：该切割方法具体步骤如下：

第一步：将加工材料(8)放置在聚焦镜(5)的下方，并固定在XY运动平台(9)上；

第二步：设定Z轴微驱动单元(7)的位置；

第三步：设定运动控制单元(10)中脉冲信号的参数，即设定激光器(1)产生脉冲包络间距的距离以及脉冲包络内脉冲串间距的参数；

第四步：打开激光器(1)，使其发出脉冲包络；

第五步：脉冲包络通过扩束镜(2)扩束以及反射镜(3)反射后，依次通过延长焦深光学器件(4)和聚焦镜(5)形成聚集光斑,作用在加工材料(8)内部形成等间距的材料改质通道或材料改质通道集群；

第六步：加工材料(8)沿切割路径自行裂开，即切割完成。

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