CN109693032A - 激光切割方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光切割方法和装置，激光切割装置用于切割工件，工件由脆性透明材料制成。激光切割装置包括激光器及光学系统，激光器发射第一激光束，第一激光束经过光学系统后形成入射至工件表面的第二激光束，第二激光束在工件中反复聚焦及散焦，以形成切割工件的第三激光束。上述的激光切割方法和装置，激光器发射出的第一激光束在光学系统的作用下会形成入射至工件表面的第二激光束，第二激光束在聚焦与散焦的动态平衡中形成第三激光束对工件进行切割，能够实现切割的均匀性，进而提高对脆性透明材料的切割精度。

Description

激光切割方法和装置

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种激光切割方法和装置。

背景技术

脆性透明材料，如玻璃、蓝宝石等，因其良好的综合性能被广泛应用在光电行业和光通讯行业，随着技术水平的不断发展，对脆性透明材料的切割效果，尤其是崩边、断面粗糙度等方面的要求越来越高。

目前，在切割脆性透明材料时，通常采用机械切割、激光热裂纹控制法、激光隐形切割、激光贝塞尔切割等技术，但是这些传统的切割技术很难做到均匀切割，容易出现切割轨迹与预先设定的路径偏离而降低脆性透明材料的切割精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光切割方法和装置，旨在解决传统的切割技术对脆性透明材料切割精度较低的问题。

一种激光切割方法，包括：

提供激光器及光学系统；

所述激光器发射第一激光束，所述第一激光束经过所述光学系统后形成入射至工件表面的第二激光束，所述工件由脆性透明材料制成；以及

所述第二激光束在所述工件中反复聚焦及散焦，以形成切割所述工件的第三激光束。

在其中一个实施例中，所述第二激光束在所述工件中反复聚焦及散焦，以形成切割所述工件的第三激光束的步骤，具体包括：

所述第三激光束使得所述工件的边缘区域的折射率小于所述工件的中间区域的折射率，以使所述工件产生正透镜效应；

所述第三激光束的光束宽度减小至临界状态，产生等离子体，所述等离子体使得所述中间区域的折射率小于所述边缘区域的折射率，以使所述工件产生负透镜效应。

在其中一个实施例中，所述第三激光束的光束宽度减小至临界状态时，空气中产生的电压为10eV。

在其中一个实施例中，所述第三激光束非线性，其传播长度大于等于瑞利长度的两倍。

在其中一个实施例中，所述第二激光束的球差大于20μm，聚焦深度大于1mm，光束宽度大于1mm。

在其中一个实施例中，所述激光器每2μs-20μs释放一次脉冲包络以产生所述第一激光束，所述脉冲包络包括两个以上的子脉冲。

一种激光切割装置，包括：

激光器，用于发射第一激光束；以及

光学系统，用于将所述第一激光束转变为入射至工件表面的第二激光束，所述光学系统能使得所述第二激光束在所述工件中反复聚焦及散焦，以形成切割所述工件的第三激光束，所述工件由脆性透明材料制成。

在其中一个实施例中，所述光学系统包括沿所述第一激光束传播方向依次设置的负透镜及正透镜，所述负透镜与所述正透镜之间的距离可调；

所述负透镜包括相对设置的入射面及出射面，所述入射面朝向所述出射面弯曲，所述出射面为平面，所述正透镜包括相对设置的入光面及出光面，所述入光面朝背离所述出光面的方向弯曲，所述出光面为平面。

在其中一个实施例中，所述光学系统包括沿所述第一激光束的传播方向依次设置的扩束镜及正透镜，所述扩束镜与所述正透镜之间的距离可调；

所述正透镜包括相对设置的入光面及出光面，所述入光面朝背离所述出光面的方向弯曲，所述出光面为平面。

在其中一个实施例中，还包括反射镜，所述反射镜位于所述激光器与所述光学系统之间。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

上述的激光切割方法和装置，激光器发射出的第一激光束在光学系统的作用下会形成入射至工件表面的第二激光束，第二激光束在聚焦与散焦的动态平衡中形成第三激光束对工件进行切割，能够实现切割的均匀性，进而提高对脆性透明材料的切割精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

其中：

图1为一实施方式的激光切割装置的结构示意图；

图2为图1所示的第二激光束经光学系统作用后的聚焦示意简图；

图3为第二激光束和第三激光束的示意图；

图4为工件处于正透镜效应下第三激光束的变化状态图；

图5为工件处于离子化状态下第三激光束的变化状态图；

图6为工件处于负透镜状态下第三激光束的变化状态图；

图7为图1所示的激光切割装置中激光器释放的一实施例的脉冲包络图；

图8为图1所示的激光切割装置切割工件的方法流程图；

图9为图8所示的激光切割方法中步骤S300的具体流程图。

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的实施例。但是，本发明可以容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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

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。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一实施方式的激光切割装置用于切割由玻璃、蓝宝石等脆性透明材料制成的工件20，激光切割装置主要包括激光器100与光学系统200，其中激光器100为脉冲宽度在ps或fs量级的超快激光器，用于发射第一激光束30，光学系统200用于将第一激光束30转化为利于切割工件20的光束。

一实施例中，光学系统200包括沿第一激光束30传播方向依次设置的负透镜210及正透镜220，负透镜210中间薄、边缘厚，又叫凹透镜，对第一激光束30具有发散作用，正透镜220中间厚，边缘薄，又叫凸透镜，对第一激光束30具有汇聚作用。在本实施方式中，负透镜210为平凹透镜，焦距小于-50mm，正透镜220为平凸透镜，焦距大于20mm。

具体地，负透镜210包括相对设置的入射面212及出射面214，入射面212朝向出射面214弯曲，出射面214为平面，第一激光束30先后经过入射面212和出射面214。正透镜220包括相对设置的入光面222及出光面224，入光面222朝背离出光面224的方向弯曲，出光面224为平面，第一激光束30先后经过入光面222和出光面224。

进一步，在本实施方式中，负透镜210与正透镜220之间的距离可调，以切割不同厚度的工件20。可以理解的是，可以通过丝杠螺母副实现负透镜210或正透镜220的移动。

当然，也可以通过更换负透镜210或正透镜220的方式来改变焦距，使得激光切割装置适用于其他厚度的工件20。

一实施例中，还可以用扩束镜替换负透镜210，此时，可以通过更改扩束镜的倍数来使得激光切割装置切割其他厚度的工件20。

经过本实施方式的光学系统200作用后的第一激光束30，会形成入射至工件20表面且具有较大球差的第二激光束40，第二激光束40的球差大于20μm，聚焦深度大于1mm，光束宽度大于1mm。

其中，球差是一种像差，是指第一激光束30经过光学系统200后不再聚焦在一个点上，而是会在像面上形成一个圆形弥散斑。可以理解为，如图2所示，第二激光束40聚焦后，除了主焦点42外，还有一些分布在主焦点42前后的次级焦点44。相距最远的两个次级焦点44之间的距离为第二激光束40的聚焦深度，也即焦深。对于横截面为圆形的光束，光束宽度也成为光束直径，是指沿垂直于光轴并与其相交的指定光线的直径。

第二激光束40照射到由脆性透明材料制成的工件20上时，会产生光克尔效应，也即，第二激光束40会改变工件20的折射率。而且，第二激光束40的能量呈高斯分布，中间区域能量强，两边区域能量较弱，所以第二激光束40对于折射率的改变是不均匀的，能够在工件20中的反复聚焦及散焦，以形成切割工件20的第三激光束50。可以理解，第三激光束50实际为第二激光束40在工件20内传播的一部分。但为方便描述，将光学系统200与工件20之间传播的光束划分为第二激光束40，将在工件20内传播的光束划分为第三激光束50。从图中3可以看出，与第二激光束40相比，第三激光束50的光束宽度相对较小，而且，第三激光束50是非线性的。

具体来说，第三激光束50能够使得工件20的边缘区域的折射率小于工件20的中间区域的折射率，以使工件20产生正透镜效应。所谓正透镜效应，就是工件20相当于正透镜，能对第三激光束50产生汇聚效果。图4所示即为正透镜效应下第三激光束50的状态图，在该图中，点A对应的点B与点C之间的差值即为第三激光束50的光束宽度，可以看出，随着A值的增大，点B与点C的差值越来越小，也即，随着第三激光束50的传播距离逐渐增大，第三激光束50的光束宽度逐渐减小。

当第三激光束50的光束宽度越来越小，直至减小至图5所示的临界状态时，工件20会被离子化，产生等离子体22，此时，工件20的中间区域的折射率骤然降低，且会小于边缘区域的折射率，这样工件20又会产生负透镜效应。所谓负透镜效应，就是工件20相当于负透镜，能对第三激光束50进行发散。图6所示即为负透镜效应下第三激光束50的光束宽度，可以看出，随着第三激光束50的传播距离的逐渐增大，第三激光束50的光束宽度会逐渐增大。接着，工件20将再次产生正透镜效应、负透镜效应，如此反复，直至工件20切割完成。

因此，对于本实施方式的激光切割装置来说，在光学系统200的作用下，第二激光束40能够在聚焦与散焦的动态平衡中完成对工件20的切割，实现了切割的均匀性，进而提高了对脆性透明材料的切割精度。经激光切割装置切割后的工件20，其断面粗糙度小于2μm，崩边小于10μm。

如图1所示，激光切割装置还包括反射镜300，反射镜300位于激光器100与光学系统200之间，反射镜300用于改变第一激光束30的传播方向，主要应用于激光器100的光轴与光学系统200的光轴不重合的情况。所以，当激光器100的光轴与光学系统200的光轴重合时，反射镜300可相应省略。

在本实施方式中，请参考图8，还提供了一种利用激光切割装置对工件20进行切割的方法，该方法包括如下步骤：

步骤S100，提供激光器100及光学系统200，激光器100与光学系统200的结构如前描述，在此不再赘述。

步骤S200，激光器100发射第一激光束30，第一激光束30经过光学系统200后形成入射至工件20表面的第二激光束40。

步骤S300，第二激光束40在工件20中反复聚焦及散焦，以形成切割工件20的第三激光束50。具体地，如图9所示，步骤S300还包括以下步骤：

步骤S310，第三激光束50使得工件20的边缘区域的折射率小于工件20的中间区域的折射率，以使工件20产生正透镜效应。

步骤S320，第三激光束50的光束宽度减小至临界状态，产生等离子体，等离子体使得中间区域的折射率小于边缘区域的折射率，以使工件20产生负透镜效应。在本实施方式中，第三激光束50的光束宽度减小至临界状态时，空气中产生的电压为10eV。

其中，步骤S310和步骤S320会重复交替进行，直至工件20切割完成。

值得一提的是，在本实施方式中，激光器100的输出能量大于30W，能够每2μs-20μs释放一次脉冲包络110以产生第一激光束30，且脉冲包络110包括两个以上的子脉冲112，各子脉冲112的高度可根据实际情况进行设计，在此不做唯一限定。这样既能够实现对工件20的快速加工，切割速度可达800mm/s，又能够保证随着第三激光束50在工件20内的深入，有足够的能量补充，从而保证聚焦和散焦的过程能够持续下去。

在本实施方式中，第三激光束50的传播长度大于等于瑞利长度的两倍，激光切割装置主要用于切割厚度为0.1mm-10mm的工件20。这里所说的瑞利长度是指光束沿着其行进方向，从其腰部到其面积为腰部面积两倍的截面的距离。但理论上，如果有足够的能量补充，可以形成无限长的第三激光束50，以加工无限厚的工件20。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光切割方法，其特征在于，包括：

提供激光器及光学系统；

所述激光器发射第一激光束，所述第一激光束经过所述光学系统后形成入射至工件表面的第二激光束，所述工件由脆性透明材料制成；以及

所述第二激光束在所述工件中反复聚焦及散焦，以形成切割所述工件的第三激光束。

2.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述第二激光束在所述工件中反复聚焦及散焦，以形成切割所述工件的第三激光束的步骤，具体包括：

所述第三激光束使得所述工件的边缘区域的折射率小于所述工件的中间区域的折射率，以使所述工件产生正透镜效应；

所述第三激光束的光束宽度减小至临界状态，产生等离子体，所述等离子体使得所述中间区域的折射率小于所述边缘区域的折射率，以使所述工件产生负透镜效应。

3.根据权利要求2所述的激光切割方法，其特征在于，所述第三激光束的光束宽度减小至临界状态时，空气中产生的电压为10eV。

4.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述第三激光束非线性，其传播长度大于等于瑞利长度的两倍。

5.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述第二激光束的球差大于20μm，聚焦深度大于1mm，光束宽度大于1mm。

6.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述激光器每2μs-20μs释放一次脉冲包络以产生所述第一激光束，所述脉冲包络包括两个以上的子脉冲。

7.一种激光切割装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发射第一激光束；以及

光学系统，用于将所述第一激光束转变为入射至工件表面的第二激光束，所述光学系统能使得所述第二激光束在所述工件中反复聚焦及散焦，以形成切割所述工件的第三激光束，所述工件由脆性透明材料制成。

8.根据权利要求7所述的激光切割装置，其特征在于，所述光学系统包括沿所述第一激光束传播方向依次设置的负透镜及正透镜，所述负透镜与所述正透镜之间的距离可调；

所述负透镜包括相对设置的入射面及出射面，所述入射面朝向所述出射面弯曲，所述出射面为平面，所述正透镜包括相对设置的入光面及出光面，所述入光面朝背离所述出光面的方向弯曲，所述出光面为平面。

9.根据权利要求7所述的激光切割装置，其特征在于，所述光学系统包括沿所述第一激光束的传播方向依次设置的扩束镜及正透镜，所述扩束镜与所述正透镜之间的距离可调；

所述正透镜包括相对设置的入光面及出光面，所述入光面朝背离所述出光面的方向弯曲，所述出光面为平面。

10.根据权利要求7所述的激光切割装置，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜位于所述激光器与所述光学系统之间。