CN107511596A - 多层材料的激光处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的多层材料的激光处理装置和方法，属于包括激光加工材料。多层材料的激光处理装置包括：用于出射激光束的光源以及多焦点衍射光学元件，激光束通过多焦点衍射光学元件分离形成沿激光束的传播路径依次间隔排列的多个聚焦光斑。多层材料的激光处理方法包括以下步骤：利用多焦点衍射光学元件将激光束分离形成沿激光束的传播方向依次间隔排列的多个聚焦光斑。将多个聚焦光斑照射于多层材料，以使多个聚焦光斑分别位于多层材料的多个材料层内。本发明提供的处理方法能够实现快速、高效地对多层材料进行激光处理，从而获得高质量的工件、提高生产效率。

Description

多层材料的激光处理装置和方法

技术领域

本发明涉及激光加工材料领域，具体而言，涉及一种多层材料的激光处理装置和方法。

背景技术

智能手机和其它消费类电子产品制造商基于市场的需要，不断增加消费类设备的特色和复杂性，同时力求简化消费产品的外形、改善其工业设计。在对产品进行升级、设计过程中的一个关键述求，或者推动力是降低这些设备的厚度，同时保留其功能或增加其功能。

为了实现上述降低设备尺寸，同时保持或者增加设备的功能的目标，目前的通用做法是：将设备和功能层压至现有部件上，将若干功能合并到单个部件中。

玻璃触摸面板叠层是制造商正在考虑的复杂多层材料叠层的代表。例如，将触摸面板层压至防护玻璃、玻璃或蓝宝石薄层，以改善消费类设备的机械性能，同时降低厚度。在玻璃触摸面板层压的操作过程中，目前的制造方法是分别形成玻璃和触摸面板，切割玻璃和触摸面板，然后将其层压。

但是，这种处理方式却存在一个问题，即形成上述的叠层结构的操作复杂且成本高。因为在层压过程中对齐两层并不是轻而易举的，该方法需要维护多条生产线，这就造成制作成本投入增加，生产线增多，进而使维护成本提高，质量控制难度增大，从而导致产品的合格率和产量下降等一系列问题。

当前，一些制造商试图在先层压金属、玻璃、聚合物膜等组成层压薄板，然后再切割层压薄板。但是不同层材料的特性不同，会导致切割过程中出现问题，例如，切口质量不高，切口边缘不规整，切口处的不同层的材料出现大尺度或者不可控的损坏。由于各种材料的性质的特殊性，以及材料之间的叠层的组合方式的多样性，现有的多层材料处理方式导致切割加工难度大大增加，进而使在切割层压好的的叠层材料时出现产品质量和生产效率下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多层材料的激光处理装置和方法，以改善对层压的多层材料的加工效率以及产品的质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多层材料的激光处理方法，其中，多层材料是指包括依次层叠的多个材料层。多层材料的激光处理方法包括以下步骤：利用多焦点衍射光学元件将激光束分离形成沿激光束的传播方向依次间隔排列的多个聚焦光斑。将多个聚焦光斑照射于多层材料，以使多个聚焦光斑分别位于多层材料的多个材料层内。

优选地，激光处理方法还包括：利用多个聚焦光斑和多层材料作相对运动，以使多个聚焦光斑分别作用于多个材料层并在多个材料层内形成刻蚀路径。

优选地，在形成刻蚀路径之后，激光处理方法还包括：以刻蚀路径为分离路径将多层材料进行分离。

优选地，将多层材料进行分离的方法是：机械折断分离和/或热激光分离。

优选地，机械折断分离包括利用气体冲击、震动或者声能进行折断分离。

优选地，热激光的参数为：

脉冲宽度：连续波；

激光功率：≥5W

波长：红外。

优选地，热激光为二氧化碳激光。

优选地，多个聚焦光斑和多层材料作相对运动的方式是：多个聚焦光斑相对于多层材料作平面运动，且每个聚焦光斑的运动轨迹形成平面图形。或者，多个聚焦光斑相对于多层材料作立体运动，且每个聚焦光斑的运动轨迹形成立体图形。

一种多层材料的激光处理方法激光处理装置，其中，多层材料是指包括依次层叠的多个材料层。多层材料的激光处理方法激光处理装置包括：用于出射激光束的光源以及多焦点衍射光学元件，激光束通过多焦点衍射光学元件分离形成沿激光束的传播路径依次间隔排列的多个聚焦光斑。

优选地，多焦点衍射光学元件为菲涅尔透镜。

优选地，多层材料的激光处理装置还包括：视频监视系统，视频监视系统包括监视器和用于获取多个聚焦光斑照射在多层材料处图像的摄像单元，摄像单元和监视器相互数据通信连接。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种多层材料的激光处理方法，通过将激光束分离为多个聚焦光斑，利用具有不同能量的不同聚焦光斑来对处理具有不同消融阈值的材料，从而实现了对由不同特性材料层压而成的多层材料的处理。由于可以对多个材料层通过层压形成的材料进行直接的处理，而不需要将不同材料处理后再进行层压，从而达到了快速、高效地完成工件制作的目的。此外。由于多层材料通过激光处理后，切口齐整、且多层不会出现不可控或大尺度的破坏，可直接形成满足设计要求的形状或者尺寸，减少了大量的后续工作，从而使得工作量下降、提高了生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的多层材料的激光处理装置的结构示意图；

图2示出了图1提供的多层材料的激光处理装置中激光束被多焦点光学衍射元件分离形成的多个聚焦光斑的分布示意图

图3为本发明实施例提供的另一种多层材料的激光处理装置的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的多层材料的激光处理方法中的多层材料的结构示意图；

图5示出了本发明实施例提供的多层材料的激光处理方法中的多个聚焦光斑在多层材料内的分布示意图。

附图标记说明：

处理装置100、200；外壳101；多层材料102；工作台103；工作面103a；

光源104；反射镜105；激光束106；多焦点衍射光学元件107；

光出射孔108；摄像单元109；监视器110；视频监视系统111；

容纳腔112；电介质层201；半导体层202；金属层203；

聚焦光斑106a、106b、106c。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要注意的是，以下实施例中，

热激光的参数为如下：

脉冲宽度：连续波(纳秒ns或皮秒ps)，脉冲宽度是指激光的功率维持在一定值所持续的时间，连续波即指激光以连续的方式输出，其在特定功率的持续时间达到纳秒(10^-9秒)或皮秒(10^-12秒)；

激光功率：≥5W；

波长：红外(IR)。

脆性材料包括陶瓷、晶体材料(如蓝宝石)以及玻璃(如硅酸盐玻璃)等。

参阅图1，本实施例提供了一种多层材料的激光处理装置100，包括：用于出射激光束106的光源104以及多焦点衍射光学元件107。

光源104出射的激光束106通过多焦点衍射光学元件107被分离形成多个聚焦光斑106a、106b以及106c(如图2所示)。多个聚焦光斑106a、106b、106c沿激光束106的传播路径依次间隔排列。

光源104可以是直接产生激光束106的装置，如激光器。此时，光源104产生的激光束106沿直线传播路径通过多焦点衍射光学元件107，此时，光源104和多焦点衍射光学元件107大致处于同一直线方向。

参阅图3，本实施中还提供了一种多层材料的激光处理装置200，其与激光处理装置100的主要区别在于，激光处理装置200还包括反射镜105，利用反射镜105对光源104产生并发射出的激光束106的传播路径进行改变。

由于反射镜105的设置，使得光源104可与多焦点衍射光学元件107不在同一直线方向上，从而使得光源104的设置位置更加灵活，同时可根据需要调整激光束106的传播路径，并且也便于光源104以及各种设备的安装和设置。

另外，为减少激光束106能量的损失，反射镜105可选用全反射镜。由于反射镜105改变了激光束106的传播路径，本实施例提供的激光处理装置200中，多个聚焦光斑106a、106b、106c沿激光束106的入射待加工工件的最后一段传播路径依次间隔排列。

多焦点衍射光学元件107可以选择菲涅尔透镜、深聚焦光斑透镜等等，根据具体的需求选用。由于待加工的工件特性的不同，为了能够灵活地待加工材料的特点进行加工处理，还可根据需要对光源104和多焦点衍射光学元件107之间的距离进行调节。

请再次参阅图3，激光处理装置200还包括：视频监视系统111、外壳101和用于放置待加工的材料的工作台103。

外壳101具有容纳腔112并开设有光出射孔108。

光源104和多焦点衍射光学元件107、反射镜105均设置在容纳腔112内。工作台103与光出射孔108相对设置，并且光出射孔108正对应于工作台103的工作面103a。光源104出射的激光束106通过多焦点衍射光学元件107被分离后，再经由光出射孔108出射到达工作台103的工作面103a。

激光处理装置200设置外壳101，使得各种设备，如光源104、反射镜105以及多焦点衍射光学元件107受到保护，从而避免运输、搬运或者使用过程被磕碰、撞击损坏的问题发生。

视频监视系统111位于外壳101外。视频监视系统111包括摄像单元109和监视器110，摄像单元109和监视器110数据通信连接。摄像单元109邻近工作台103设置，以便获得加工部分(即多个聚焦光斑照射在多层材料长的部位)的图像。摄像单元109可以使可见光摄像机，如CCD摄像机，或者红外线摄像机，如红外线CCD摄像机。摄像单元109获取到加工区域的图像后，将该获得图像信号发送给监视器110，以便进行适时的加工监控。另外，还可设置数据处理单元(图中未绘出)，以便对图像信号进行数据分析，以获得更加精确和实时的信息。

本发明提供的激光处理装置100、200可用于激光处理多层材料102，如图4所示，激光处理装置200以及三个材料层组合而成的平板形结构的多层材料102为例进行说明。

多层材料102由依次设置的金属层203、半导体层202、电介质层201组成。其中，金属层203的消融阈值能量小于半导体层202的消融阈值能量，半导体层202的消融阈值能量小于电介质层201的消融阈值能量。

聚焦光斑106a、106b、106c在多层材料102内的不同层的分布方式请参阅图5。

当多层材料102水平放置于激光处理装置200的工作台103的工作面103a时，且外壳101位于多层材料102的正上方时，在垂直于工作面103a的方向上，多层材料102具有梯度变化的消融阈值。通过多焦点衍射光学元件107使激光束106形成三个聚焦光斑106a、106b、106c，三个聚焦光斑106a、106b、106c的能量具有如下关系：聚焦光斑106a<聚焦光斑106b<聚焦光斑106c。

激光处理装置200激光处理多层材料102的工作原理如下：光源104出射激光束106，激光束106照射到反射镜105被改变传播方向，改变传播方向的激光束106通过多焦点衍射光学元件107形成多个聚焦光斑106a、106b、106c，并照射到放置于工作台103的多层材料102。由于聚焦光斑106a、106b、106c沿激光束106的传播方向依次间隔排列，也即在垂直于工作面103a的方向依次间隔排列，以使所述聚焦光斑106a、106b、106c分别位于多层材料102的多个材料层例如金属层203、半导体层202、电介质层201内。具体地，本实施例中，聚焦光斑106a位于金属层203、聚焦光斑106b位于半导体层202、聚焦光斑106c位于电介质层201(参见图5)。

聚焦光斑106a、106b、106c之间的间隔距离可以根据需要进行调节，以便满足具有不同厚度的多层材料102切割需求。例如，可以通过调整反射镜105和多焦点衍射光学元件107之间的距离，或者改变多焦点衍射光学元件107的特性参数。

由于不同聚焦光斑106a、106b、106c的能量不同，且多层材料102中的不同材料层在激光照射下发生消融的消融阈值能量也不同，因此，通过使具有不同能量的聚焦光斑106a、106b、106c分别作用于相对应不同消融阈值能量的材料层，可实现同时对层压形成的多层材料102进行加工处理。

由于加工过程中的需要根据需要进行不同的切割操作，以便获得各种形状、结构的工件，因此，加工过程中涉及到工作台103和外壳101的相对运动。实际加工多层材料102时，作为一种实现方式，工作台103固定，外壳101相对于工作台103运动；作为另一种实现方式，外壳101固定，工作台103相对于外壳101运动。可以理解的是，外壳101和工作台103还可以同时运动。外壳101和工作台103的运动可以利用可编辑逻辑控制器PLC控制各种运动组件来实现，本实施例中不作详述。

利用上述激光处理装置200对切割多层材料102的方法，包括以下步骤：利用多焦点衍射光学元件107将激光束106分离形成沿激光束106的传播方向依次间隔排列的三个聚焦光斑106a、106b、106c。将三个聚焦光斑106a、106b、106c照射于多层材料102，以使三个聚焦光斑106a、106b、106c分别位于多层材料102的三个材料层内。

本实施例中，以三个聚焦光斑106a、106b、106c为例进行说明，在本发明的其他实施例中，其个数也可以使两个，四个等等，可根据需要切割的多层材料102的材料层数进行选用，本发明不对其具体数量作限制。

通过对具有不同消融阈值的材料使用具有相应的能量的聚焦光斑进行激光处理，可以避免材料受到过高能量的激光束106照射后导致的材料受损的问题，同时也避免了激光束106的能量太低，导致不能实现切割的问题。此外，采用上述方法对多层材料102进行处理，可以不需要实现对材料预先进行刻痕处理，因此，可以降低材料的处理复杂度，提高激光处理效率。

在上述激光处理多层材料102的过程中，聚焦光斑106a、106b、106c照射于多层材料102的方法是：聚焦光斑106a、106b、106c和多层材料102作相对运动，在多层材料102内三个材料层内形成刻蚀路径。

基于多层材料102的实际需要，可对聚焦光斑106a、106b、106c的运动路径进行设计，以便获得各种设计要求的形状和结构的工件。可以理解的是：聚焦光斑106a、106b、106c和多层材料102可同时运动，也可以聚焦光斑106a、106b、106c固定、多层材料102移动，或者多层材料102固定、聚焦光斑106a、106b、106c移动。

本实施例中，采取聚焦光斑106a、106b、106c运动、多层材料102固定的方式，相应地，利用激光处理装置200处理多层材料102时，外壳101运动，工作台103固定。

具体地，运动方式有以下两种：

其一，即外壳101平行于工作台103作平面运动，每个聚焦光斑的运动轨迹均形成平面图形。采取上述运动方式，激光处理装置200可以做出直线、弧形曲线的刻蚀路径，或者还可以形成规则或者不规则的图形的工件，如矩形、圆形、多边形等等二维工件。

其二，即外壳101既平行于工作台103运动，也垂直于工作台103运动，从而使外壳101相对于工作台103作立体运动。采取上述运动方式，每个聚焦光斑的运动轨迹形成立体图形，从而可以做出各种具有立体结构的工件，如凸台等三维工件。

由于三个聚焦光斑106a、106b、106c同时运动，且运动方式也相同，因此，三个聚焦光斑106a、106b、106c的运动轨迹一致，从而可以使多层材料102的不同材料层均形成相同的形状和结构，从而保持了激光处理获得的工件的外形的精密和准确。

当完成预先设计的运动后，可能存在多层材料102中需要切除的部分没有分离的情况，此时，可以对已形成的刻蚀路径的多层材料102进行分离操作。具体地，以刻蚀路径为分离路径对多层材料102进行分离。分离的方法是：机械折断分离、热激光束分离中的一种或者两种的组合。

例如，通过喷射高速气体冲击分离路径，从而使多层材料102沿分离路径断裂。此外，还可采用震动、声能等来进行折断分离，或者还可采用机械装置对分离路径进行挤压，从而折断分离。

除了上述机械分离的方式外，还可采用热激光束分离，即通过高能的激光沿分离路径使得未分离的材料消融，从而实现分离。本实施例中，热激光束可采用二氧化碳激光器产生的二氧化碳激光束，热激光束也可以采用其他方式的激光束，其具体的参数以满足为连续波、激光束功率：≥5W；波长达到红外区为宜。

采用本发明提供的激光处理可以实现对多层材料102的快速、高效的激光处理，以获得批量的高质量的产品，多层材料102的切口更加齐整，不同层的材料不会出现不可控或者大尺度的破坏。利用本发明提供的激光处理方法和装置，将切割和折断处理组合可有效地提高多层材料的激光处理生产效率，并降低分层材料的激光处理难度。

另外，本发明提供的激光处理方法还可对未增强的铝硅酸盐玻璃实现以下处理效果：碎裂<50μm，微裂缝<10μm，弯曲强度>100MPa，进给速率>20mm/s。

本发明提供的多层材料激光处理方法，由待加工件底部至顶部进行加工，形成一个连续作用于多层材料102中每一层材料的作用面，达到了非破坏性加工，可以有效降低激光束106的切割加工时间。需要注意的是：本发明提供多层材料激光处理方法中，激光束106的参数以及多焦点衍射光学元件107的规格应根据待加工的多层材料102的材质及厚度不同而设定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层材料的激光处理方法，所述多层材料包括依次层叠的多个材料层，其特征在于，所述激光处理方法包括：

利用多焦点衍射光学元件将激光束分离形成沿所述激光束的传播方向依次间隔排列的多个聚焦光斑；以及

将所述多个聚焦光斑照射于所述多层材料，以使所述多个聚焦光斑分别位于所述多层材料的所述多个材料层内。

2.根据权利要求1所述的多层材料的激光处理方法，其特征在于，所述激光处理方法还包括：利用所述多个聚焦光斑和所述多层材料作相对运动，以使所述多个聚焦光斑分别作用于所述多个材料层并在所述多个材料层内形成刻蚀路径。

3.根据权利要求2所述的多层材料的激光处理方法，其特征在于，在形成所述刻蚀路径之后，所述激光处理方法还包括：以所述刻蚀路径为分离路径将所述多层材料进行分离。

4.根据权利要求3所述的多层材料的激光处理方法，其特征在于，将所述多层材料进行分离的方法是：机械折断分离和/或热激光分离。

5.根据权利要求4所述的多层材料的激光处理方法，其特征在于，所述机械折断分离包括利用气体冲击、震动或者声能进行折断分离。

6.根据权利要求4所述的多层材料的激光处理方法，其特征在于，所述热激光的参数为：脉冲宽度：连续波；激光功率：≥5W；波长：红外。

7.根据权利要求4所述的多层材料的激光处理方法，其特征在于，所述热激光为二氧化碳激光。

8.一种多层材料的激光处理装置，其特征在于，包括：用于出射激光束的光源以及多焦点衍射光学元件，所述激光束通过所述多焦点衍射光学元件分离形成沿所述激光束的传播路径依次间隔排列的多个聚焦光斑。

9.根据权利要求8所述的多层材料的激光处理装置，其特征在于，所述多焦点衍射光学元件为菲涅尔透镜。

10.根据权利要求8或9所述的多层材料的激光处理装置，其特征在于，所述多层材料的激光处理装置还包括：视频监视系统，所述视频监视系统包括监视器和用于获取所述多个聚焦光斑照射在所述多层材料处图像的摄像单元，所述摄像单元和所述监视器相互数据通信连接。