CN106966580A - 一种飞秒激光切割玻璃的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光切割玻璃的方法，包括以下步骤：提供待切割玻璃和飞秒激光器；调光：所述激光器产生的激光束经过扩束准直镜调节准直和束腰半径；聚焦：所述激光束经由透镜聚焦至所述玻璃工件内部；切割：所述玻璃工件相对于聚焦激光束产生相对移动，实现玻璃的切割。该方法创新之处在于利用飞秒激光聚焦玻璃内部所产生的应力使得玻璃工件自动开，无需扳边。本发明的飞秒激光切割玻璃的方法，通过高能飞秒激光束所形成的上下贯穿裂纹完成激光单次扫描玻璃自动断裂，无需额外扳边工序，可获得无微裂纹、无损伤的工件，切割良品率高，工序简单。

Description

一种飞秒激光切割玻璃的方法
技术领域
本发明属于激光切割领域，尤其涉及一种飞秒激光切割玻璃的方法。
背景技术
超薄玻璃的应用日益广泛，某些方面尤其是在消费电子(制造光学元件和盖板玻璃)、平板显示等领域的应用对切割质量和切割成品率的要求非常严格，传统的玻璃切割技术已逐渐不能满足生产的要求。
如作为TFT-LCD基板的耐高温、高硬度硼硅玻璃和用于汽车方面的钢化玻璃等。从玻璃厚度方面而言，浮法玻璃的厚度已经达到了20mm以上，而用于平板显示方面的玻璃最薄已经达到0.15mm，有些应用于电子产品的玻璃甚至达到0.05mm。过薄或过厚的玻璃采用机械切割都会影响切割的成品率。
激光切割出来的玻璃边缘光滑、无横向微裂纹、无碎片，避免了在板材上出现划伤并且将玻璃破碎的可能性减小到最低程度。当激光技术用于浮法玻璃生产线的在线切割时，由于不需要二次掰边，所以原板玻璃的利用率得到了明显提高。
国内外对于飞秒激光切割的实验研究很少，从原理上讲，玻璃对红外激光的吸收远比金属好，而且玻璃是热的不良导体，玻璃切割所需要的激光功率比金属要低得多，所以玻璃的激光切割技术应该比金属更早应用于工业生产，但玻璃的激光切割市场却一直没有发展起来。
飞秒激光是一种拥有极短脉冲的激光，能量高，作用时间短，可以在避免材料融化的情况下瞬间将材料变成等离子体而挥发出去，在这极短的时间内，热量来不及在材料内堆积，从而避免了热效应的产生。而且，激光切割在计算机的辅助下能够连续地、精确地完成设定图案的曲线切割，使其在玻璃加工工业中有非常好的应用前景。
发明内容
为解决上述技术问题本发明提供一种飞秒激光切割玻璃的方法，可解决玻璃切割过程中容易产生崩边、微裂纹以及分层等影响，提高切割良品率，简化工序。
本发明为解决上述技术问题的技术方案如下：
一种飞秒激光切割玻璃的方法，该方法包括以下步骤：
提供待切割玻璃和飞秒激光器；
调光：所述激光器产生的激光束通过扩束准直镜调节准直和束腰半径；
聚焦：所述激光束经由聚焦透镜聚焦至所述玻璃工件内部；
切割：所述玻璃工件相对于聚焦激光束产生相对移动，实现玻璃的切割。
上述方案中，所述激光脉宽250～500fs。
上述方案中，所述激光波长为520±10nm，激光脉冲的重复频率在50kHz～1MHz。
上述方案中，所述激光束的平均功率为0.7W～4.0W。
上述方案中，所述激光束的偏振状态为线偏振或圆偏振光。
上述方案中，所述激光束透镜通过聚焦，透镜的数值孔径介于0.04～0.40。
上述方案中，将激光束垂直聚焦至玻璃内部的聚焦点距玻璃下表面的距离为玻璃厚度的1/4～1/2。
上述方案中，所述玻璃厚度介于0.1～1.0mm之间。
上述方案中，所述激光束单脉冲能量在4～25μJ。
所述玻璃越厚所需要的激光单脉冲能量越高，透镜数值孔径越小，切割速度越慢，脉冲的重复频率越高，焦点距下表面的距离越远。所述玻璃根据其材质不同所需要的激光单脉冲能量不同，玻璃上表面非焦点的处的激光能量密度小于玻璃损伤阈值，焦点处的激光能量密度大于玻璃损伤阈值。
本发明的有益效果为：本发明的一种飞秒激光切割超薄玻璃的方法，是一种利用脉冲范围在250～300飞秒的激光器所产生的激光束，采用聚焦透镜将激光束垂直入射至位于所述玻璃工件内部，激光束与玻璃工件按预先设定的路径做相对移动，利用微爆炸效果形成微裂纹，利用热应力使得裂纹扩展，玻璃工件沿着激光扫描路径自动裂开。利用超短脉冲和高脉冲的重复频率实现对玻璃工件的切割，这样，可以获得高精密度和平整的切割加工质量，解决玻璃切割过程中容易产生崩边、微裂纹以及分层等影响，提高切割良品率，简化了工序。
附图说明
图1是本发明实施例提供的飞秒激光切割玻璃过程的示意图。
图2是本发明实施例提供的玻璃工件沿切割路径断裂示意图。
图3是本发明实施例提供的显微镜拍摄的玻璃工件边缘图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明激光器为飞秒激光器。飞秒激光器即脉冲宽度为飞秒的激光器，通常是利用锁模技术实现，飞秒，即毫微微秒，即1飞秒＝10-15秒。在加工过程中飞秒激光器可以在激光振荡时获得很高振荡密度的激光能量，而且在加工过程中不会产生碎屑积聚现象。
飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，它主要依靠多光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用的透明材料。飞秒脉冲作用时间极短，热效应小(几乎可以忽略)，因而可以大大提高加工精度。近红外区的飞秒激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点，它可以深入透明材料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微加工。
本发明飞秒激光切割玻璃的方法，包括以下步骤：采用脉冲宽度在250～300飞秒的固体飞秒激光器，飞秒激光器产生的激光束经由扩束准直镜调节准直和束腰半径；激光束经聚焦透镜1聚焦至距下表面的距离为整个玻璃厚度的1/3处，即图1中2处；激光束与玻璃工件进行相对移动，使得焦点在内部形成多个微裂点，高重频会有热累积产生热应力，热应力会使微裂点形成微裂纹扩展到上下表面形成上下贯穿的裂纹，该裂纹会随着激光束的移动而继续扩展，最后按设定切割路径3自动断开，无需借助外力进行扳边，工序简单。
本发明即是利用玻璃对近红外激光高透过率，而实现的深入玻璃内部的切割加工，玻璃工件内部激光辐射能量产生机械应力，在特定的条件下，热应力会导致上下贯穿的初始裂纹，裂纹会随着激光轨迹扩展。然后，切割部分会按设定路径自动断开，无需任何外力，而且断面光滑无表面缺陷。
下面以具体实施例来进行说明。
实施例1
如图1至图3所示，飞秒激光切割玻璃的具体过程如下；
(1)将一块表面较为平整的载玻片置于三维移动平台XYZ水平工作台上；
(2)移动三维平台使得聚焦点在载玻片表面；
(3)将尺寸60mm×120mm，厚度为0.33mm的玻璃样品置于载玻片上，移动三维平台使得聚焦点在距玻璃下表面的130μm处；
(4)采用波长为520nm、脉冲宽度为250fs，脉冲的重复频率为100kHz，单脉冲能量6μJ的飞秒激光作为切割激光束，采用数值孔径为0.25的透镜1进行聚焦，聚焦后的激光束直接入射至玻璃工件内部，聚焦后的光斑直径为5μm，通过三维平台的移动完成玻璃的切割。
本实施例切割后的玻璃工件边缘质量如图3所示，边缘4整齐无微裂纹。
实施例2和实施例3
实施例2和实施例3采用表1中的飞秒激光器和工艺参数，按照实施例1相同的工作过程进行，切割后玻璃边缘质量较好。
表1
本发明适合用于各种超薄玻璃的切割，只需要调整合适的参数即可。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞秒激光切割玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供待切割玻璃和飞秒激光器；
调光：所述激光器产生的激光束通过扩束准直镜调节准直和束腰半径；
聚焦：所述激光束经由聚焦透镜聚焦至所述玻璃工件内部；
切割：所述玻璃工件相对于聚焦激光束产生相对移动，实现玻璃的切割。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光脉宽250～500fs。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光波长为520±10nm，激光脉冲的重复频率在50kHz～1MHz。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的平均功率为0.7W～4W。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的偏振状态为线偏振或圆偏振光。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束通过透镜聚焦，所述透镜的数值孔径介于0.04～0.40。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将激光束垂直聚焦至玻璃内部的聚焦点距玻璃下表面的距离为玻璃厚度的1/4～1/2。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃厚度介于0.1～1.0mm之间。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束单脉冲能量在4～25μJ。
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