CN108941893A - 一种非平滑表面玻璃的激光加工方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非平滑表面玻璃材料的加工方法及装置，在玻璃上施加一层透明液体；提供一光纤激光器，采用光纤放大器进行能量放大后，进行光学倍频，获得绿光，聚焦到非平滑表面玻璃的待加工位置，通过移动聚焦位置，实现对非平滑表面玻璃的加工；其特征在于：激光束由激光脉冲串构成，每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，脉冲宽度小于10ns，峰值功率大于5KW，串内相邻脉冲的间隔小于120ns,串间的间隔大于300ns，每秒的总脉冲数大于100000个；激光器输出的激光束只采用光纤放大器进行能量放大；加工时，激光束透过透明液体层，聚焦至待加工非平滑表面玻璃的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对非平滑表面玻璃的加工。本发明提高了加工速度。

Description

一种非平滑表面玻璃的激光加工方法及装置
技术领域
本发明涉及一种玻璃的加工方法，具体涉及一种非平滑表面玻璃的加工方法，尤其是采用激光加工方法对非平滑表面玻璃进行加工。
背景技术
玻璃材料已经成为了人们日常生活中不可缺少的一部分，随着经济的发展，对玻璃制品的需求量与日俱增。在玻璃的生产工业中，玻璃加工是一个十分重要环节。
一般来说，玻璃加工（冷加工）主要包括抛光、切割、钻孔、雕刻、磨边等。为了工业化实现上述玻璃和蓝宝石加工的目的，现有技术中采用的加工方法主要有机械加工方法、化学加工方法（主要用于抛光和刻蚀）、高压水射流加工方法（主要用于切割和钻孔）和激光加工方法。在这当中，激光加工方法在加工速度和自动化程度方面都要远远优于其它的方法。
传统的激光玻璃加工运用的是波长在10.6μm附近的CO2激光器，其输出功率一般需要达到100W以上。CO2激光器加工玻璃和蓝宝石是通过激光入射使玻璃受热后发生断裂而实现的。以平板玻璃的切割为例，将CO2激光器发出的激光束聚焦到平板玻璃上，高功率的激光使得玻璃在激光的焦点位置受热发生断裂，裂缝向玻璃的上下表面延伸从而完成切割。在受热切割的过程中，通常需要使用淬火嘴将冷水或冷气喷射到切割道上，使玻璃裂开。这种方法切割精度较低，同时难以加工复杂图形。
中国发明专利CN105149773A公开了一种透明玻璃的加工方法，采用波长在532nm附近（绿光）的脉冲输出光纤激光器进行透明玻璃的加工，与传统的CO2激光器不同，输出的绿光经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到透明玻璃的待加工位置，使玻璃发生微米量级的爆破，通过扫描振镜移动焦点的位置，使爆破点在所需加工的区域叠加从而实现加工。这种方法使加工速度有明显的增加。
为了避免加工过程中产生的粉尘对激光的影响，提高能量耦合效率，需要先将激光束聚焦在下表面，由下向上加工。然而，这对材料上表面的平整度及透光性有较高要求，如果材料上表面有花纹、凹坑等微结构，激光照射在上表面时发生散射、衍射、或不同方向的折射后，光束在材料内的传播出现弥散现象，无法在下表面聚焦，有效能量密度将严重下降，以致无法实现加工。因此对于如压花玻璃、磨砂玻璃、磨砂石英等表面凹凸不平的硬脆透明材料，将不能通过上述由下向上方式进行激光加工。
中国发明专利申请CN108381043A公开了一种非平滑表面透明硬脆材料的激光加工方法，包括以下步骤：(1)在待加工材料的上表面施加一层透明液体，所述透明液体的折射率与待加工材料的折射率的差值不大于0 .45；(2)将一透明平板覆盖在透明液体层上；(3)排除透明平板与待加工材料之间的气泡，形成的待加工组件自下而上依次为待加工材料层、透明液体层、透明平板；(4) 将待加工组件放置在激光加工工作台上进行加工，激光束透过透明平板和透明液体层，聚焦至待加工材料层的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对待加工材料的打孔或切割。这种方法能够实现对例如压花玻璃的加工，但是加工速度还是不够快。
因此，找到一种新的非平滑表面玻璃加工方法从而实现加工速度的提高是十分有意义的。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种非平滑表面玻璃的激光加工方法，以克服现有技术中加工速度受限的问题，提高激光非平滑表面玻璃加工的精度和速度。
本发明的另一个发明目的是提供一种实现该加工方法的非平滑表面玻璃材料的加工装置。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种非平滑表面玻璃的激光加工方法，包括：
在待加工非平滑表面玻璃的上表面施加一层透明液体，所述透明液体的折射率与待加工非平滑表面玻璃的折射率的差值不大于0.45；
提供一波长在1020纳米～1090纳米之间的光纤激光器作为种子激光器，将种子激光器输出的激光束采用光纤放大器进行能量放大后，进行光学倍频，获得绿光输出，将上述绿光聚焦到非平滑表面玻璃的待加工位置，通过移动聚焦位置，实现对非平滑表面玻璃的加工；
所述激光束由激光脉冲串构成，每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于10ns，脉冲的峰值功率大于5KW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的间隔时间小于120ns, 脉冲串间的间隔时间大于300ns，每一秒的总脉冲数大于100000个；其中，激光器输出的激光束只采用光纤放大器进行能量放大；
加工时，激光束透过透明液体层，聚焦至待加工非平滑表面玻璃的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对非平滑表面玻璃的加工。
上述技术方案中，脉冲输出绿光激光是运用波长在1μm附近的光纤激光器通过倍频后得到的。输出绿光的脉冲串，每一脉冲串里包括至少两个激光脉冲，第一个脉冲作用到材料上使材料发生微米量级(5~50微米) 的爆破，产生材料去除并增加周围材料的温度。在周围材料的热量被释放之前，第二脉冲到达并进一步快速增加周围材料的温度，然后产生更多材料去除。第三个脉冲可以利用前面两个脉冲的余热，有效地产生更多材料去除，以此类推，这种脉冲串可以大大提高材料去除效率。热扩散需要微秒的时间水平，但是随后的脉冲通常在十几纳秒左右到达。 脉冲串的典型脉冲间隔为十几纳秒，远小于热扩散所需的微秒时间。 因此可以有效地利用来自前一脉冲的余热。脉冲串里的激光脉冲数可以是2个、3个、4个、5个，甚至50个。
每一秒的总脉冲数大于100000个；其中，光纤激光器输出的激光束只采用光纤放大器进行能量放大；这种以光纤激光器为基础的激光系统比自由空间的固体激光器拥有更高的稳定性，输出激光的光谱范围为510nm～545nm。加工的材料可以是建筑玻璃、基板玻璃、增强玻璃、钢化玻璃、光学玻璃、石英玻璃、超薄玻璃等。材料的厚度可以从0.005mm到150mm。
上述技术方案中，所述的移动聚焦位置通过扫描振镜实现，输出的绿光经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到非平滑表面玻璃的待加工位置，使材料发生微米量级的爆破，通过扫描振镜移动焦点的位置，使爆破点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
或者，所述的移动聚焦位置通过改变聚焦透镜与待加工的透明材料的相对位置实现，输出的绿光经聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使材料发生微米量级的爆破，通过移动包括激光器和透镜的光学头，或者移动待加工的透明材料，改变焦点在透明材料上的位置，使爆破点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
上述技术方案中，所述加工是钻孔、切割、磨边、雕刻中的一种。
为实现本发明的另一发明目的，采用的技术方案是，一种非平滑表面玻璃材料的加工装置，由绿光激光器、聚焦透镜和焦点调整机构组成，所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于10ns，脉冲的峰值功率大于5KW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的间隔时间小于120ns, 脉冲串间的间隔时间大于300ns，每一秒的总脉冲数大于100000个；所述绿光经聚焦透镜聚焦在非平滑表面玻璃材料的待加工位置；在待加工材料的上方设有液体添加设备。
上述技术方案中，所述焦点调整机构包括扫描振镜，所述扫描振镜在光路中位于绿光脉冲串激光器的输出和聚焦透镜之间。
所述扫描振镜是二维振镜、2.5维振镜、或者三维振镜中的一种。
或者，所述绿光脉冲串激光器和所述聚焦透镜构成光学头，所述焦点调整机构包括光学头位置调整机构，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，该光学头位置透整机构使光学头具有X轴、Y轴、Z轴平移的自由度。
或者，所述焦点调整机构包括放置待加工的透明材料的平台，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，所述焦点调整机构使所述平台具有X轴、Y轴平移的自由度，所述聚焦透镜和所述平台之间具有沿Z轴相对运动的自由度。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明中绿光激光器输出的是脉冲串, 第一个脉冲作用到材料上使材料发生微米量级(5~50微米) 的爆破, 产生材料去除并增加周围材料的温度。 在周围材料的热量被释放之前，第二脉冲到达并进一步快速增加周围材料的温度，然后产生更多材料去除，这种脉冲串方式可以大大提高材料去除效率。
2、本发明中绿光脉冲串激光器采用光纤激光器产生种子激光，经光纤放大器进行能量放大后进行光学倍频获得，光纤放大器输出后激光不再进行任何形式的能量放大，不再使用自由空间的固体，在倍频晶体中激光是一次性通过，没有来回振荡，因此激光输出可以非常稳定，由此保证了材料加工的精度，可以用于加工各种复杂图案。
3、本发明的光纤绿光脉冲串激光器输出光的每一秒的总脉冲数大于100000个，在多数情况下每一秒的总脉冲数大于600000个，从而在保证了加工速度。
4、当仅采用聚焦透镜而不采用扫描振镜时，由于采用光纤激光器，本发明的装置比较轻便，可以安装在移动设备上。
附图说明
图1是本发明实施例中绿光脉冲串激光器的结构框架示意图；
图2是本发明实施例一的结构示意图；
图3是本发明实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图2所示，一种非平滑表面玻璃材料的加工装置，由绿光脉冲串激光器、扫描振镜、聚焦透镜组成，参见图1，所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；所述绿光脉冲串经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置；在待加工材料的上方设有液体添加设备。
本实施例中，扫描振镜是三维振镜，绿光激光的重复频率是每一秒的总脉冲数大于300,000个，脉冲串里的激光脉冲数是2个,脉冲串里的每一激光脉冲间的时间是15ns，光斑直径是20微米。在绿光脉冲串的移动过程中激光光斑的重叠率是50%，因此激光在振镜的带动下以1.5米/秒的速度前移。非平滑表面玻璃的上表面施加一层水，水折射率为1.33，玻璃的折射率约1.4～1.6，两者的折射率差值为0.07～0.27。在玻璃材料上钻孔时，每转一周，产生几十微米厚度的切割。通过移动振镜而将切割推进，实现高效率钻孔。
实施例二：参见附图3所示，一种非平滑表面玻璃材料的加工装置，由绿光脉冲串激光器、聚焦透镜组成，参见图1，所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；所述绿光脉冲串由聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置；在待加工材料的上方设有液体添加设备。
本实施例中，脉冲串激光被透镜聚焦在透明材料上，透镜安装在移动带上，通过移动透镜而实现线状切割。每一秒的总脉冲数900,000个，脉冲串里的激光脉冲数是3个, 脉冲串里的每一激光脉冲间的时间是15ns， 光斑直径是20微米，重叠率是40%，激光以每秒3.6米的速度前移, 非平滑表面玻璃的上表面施加一层用60%浓度葡萄糖水。激光在玻璃材料表面产生去除。实现玻璃材料的高速切割。

Claims (10)

1.一种非平滑表面玻璃的激光加工方法，包括：
在待加工非平滑表面玻璃的上表面施加一层透明液体，所述透明液体的折射率与待加工非平滑表面玻璃的折射率的差值不大于0.45；
提供一波长在1020纳米～1090纳米之间的光纤激光器作为种子激光器，将种子激光器输出的激光束采用光纤放大器进行能量放大后，进行光学倍频，获得绿光输出，将上述绿光聚焦到非平滑表面玻璃的待加工位置，通过移动聚焦位置，实现对非平滑表面玻璃的加工；
其特征在于：所述激光束由激光脉冲串构成，每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于10ns，脉冲的峰值功率大于5KW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的间隔时间小于120ns, 脉冲串间的间隔时间大于300ns，每一秒的总脉冲数大于100000个；其中，激光器输出的激光束只采用光纤放大器进行能量放大；
加工时，激光束透过透明液体层，聚焦至待加工非平滑表面玻璃的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对非平滑表面玻璃的加工。
2.根据权利要求1所述的非平滑表面玻璃的加工方法，其特征在于：所述的移动聚焦位置通过扫描振镜实现，输出的绿光经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到非平滑表面玻璃的待加工位置，使材料发生微米量级的爆破，通过扫描振镜移动焦点的位置，使爆破点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
3.根据权利要求1所述的非平滑表面玻璃的加工方法，其特征在于：所述的移动聚焦位置通过改变聚焦透镜与待加工的透明材料的相对位置实现，输出的绿光经聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使材料发生微米量级的爆破，通过移动包括激光器和透镜的光学头，或者移动待加工的透明材料，改变焦点在透明材料上的位置，使爆破点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的非平滑表面玻璃材料的加工方法，其特征在于：所述非平滑表面玻璃是压花玻璃、磨砂玻璃、或其它表面不平整的玻璃中的一种。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的非平滑表面玻璃材料的加工方法，其特征在于：所述加工是钻孔、切割、磨边、雕刻中的一种。
6.一种非平滑表面玻璃材料的加工装置，由绿光激光器、聚焦透镜和焦点调整机构组成，其特征在于：所述绿光脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器和倍频器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后经倍频器件倍频输出绿光脉冲串；每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于10ns，脉冲的峰值功率大于5KW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的间隔时间小于120ns, 脉冲串间的间隔时间大于300ns，每一秒的总脉冲数大于100000个；所述绿光经聚焦透镜聚焦在非平滑表面玻璃材料的待加工位置；在待加工材料的上方设有液体添加设备。
7.根据权利要求6所述的非平滑表面玻璃材料的加工装置，其特征在于：所述焦点调整机构包括扫描振镜，所述扫描振镜在光路中位于绿光脉冲串激光器的输出和聚焦透镜之间。
8.根据权利要求7所述的非平滑表面玻璃材料的加工装置，其特征在于：所述扫描振镜是二维振镜、2.5维振镜、或者三维振镜中的一种。
9.根据权利要求6所述的非平滑表面玻璃材料的加工装置，其特征在于：所述绿光脉冲串激光器和所述聚焦透镜构成光学头，所述焦点调整机构包括光学头位置调整机构，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，该光学头位置透整机构使光学头具有X轴、Y轴、Z轴平移的自由度。
10.根据权利要求6所述的非平滑表面玻璃材料的加工装置，其特征在于：所述焦点调整机构包括放置待加工的透明材料的平台，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，所述焦点调整机构使所述平台具有X轴、Y轴平移的自由度，所述聚焦透镜和所述平台之间具有沿Z轴相对运动的自由度。
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