CN110303257B - 一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光加工应用技术领域，公开了一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置，该方法是采用超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，将两者同光轴合束得到贝塞尔合成激光束对透明脆性材料进行激光扫描，同时基于该贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分对透明脆性材料的烧蚀改性机理、以及连续激光部分的热应力切割分离机理，实现激光复合切割分离透明脆性材料。本发明通过对切割方法的切割原理、加工工艺流程的整体设计，以及对应装置的各构成组件及它们的连接关系等进行改进，可一次高速完成切割分离透明脆性材料，无需后续施加分离力或温差进行分离工序，能够简化工艺流程，提高激光切割分离透明脆性材料的加工效率。
Description
技术领域
本发明属于激光加工应用技术领域，更具体地，涉及一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置。
背景技术
激光切割透明脆性材料有多种机理，主要机理可以分为以下几种：常规连续和纳秒脉冲激光熔化切割分离机理，激光隐形切割(或叫做内部改性切割)分离机理，激光热应力切割(或叫做热裂法切割、裂纹控制法切割)分离机理，超短脉冲(皮秒和飞秒)激光烧蚀切割分离机理。针对的透明脆性材料主要包括各种性能的玻璃，光学晶体材料和蓝宝石材料以及硅晶材料等。常规连续和纳秒脉冲激光熔化切割分离机理是通过熔化材料，并将其排除，达到切割分离。这种方法由于输入的能量较多，常会造成透明脆性材料切割分离面的崩边、重铸层和微裂纹等切割缺陷，切割分离精度和质量较差，必须进行二次打磨或抛光，从而增加了工艺流程和成本，降低了切割加工效率；激光隐形切割机理是将激光焦点聚焦到透明材料中间进行烧蚀，降低透明脆性材料切割分离面的烧蚀面，来提高切割分离精度和质量，但必须采用后续机械方法对激光隐形切割线进行机械掰片分离，不但增加了加工工序，导致切割分离效率下降，而且光路系统复杂，设备昂贵；激光热应力切割分离机理是通过对透明材料加热膨胀，当激光束离开后，加热膨胀部位通过外加冷却剂或自身传导迅速冷却收缩，诱导出大于材料抗拉强度的拉应力，形成穿透裂纹，将材料切割分离。这种方法由于没有激光熔化和烧蚀现象存在，故可以获得无缺陷的高精度和高质量的切割分离面，无需二次打磨或抛光，因而加工工序简单，但其缺点是切割分离速度慢，效率低，且由于难以控制裂纹沿曲线扩展，无法实现曲率较大的曲线图形切割分离；超短脉冲(皮秒和飞秒)激光烧蚀切割分离是目前对切割分离透明脆性材料效率较高，切割分离精度和质量较好的一种方法。
专利CN 104968620 A提出一种透明材料的高速激光加工方法，采用皮秒贝塞尔光束对层状透明材料：包括至少一个拉应力层、至少一个压应力层以及所述至少一个拉应力层与所述至少一个压应力层之间的至少一个界面区，具体应用之一为对钢化玻璃进行预切割。在激光预切割后，再施加一定的分离力或温差才能使材料沿预切割路径分离。专利CN201710287652.1公开了利用皮秒贝塞尔光束预切割蓝宝石后，移动平台至指定位置，然后再利用振镜扫描二氧化碳激光使蓝宝石沿预切割路径进行分离的方法。上述方法均存在经过超短脉冲激光预切透明脆性材料后，必须经过后续施加一定的分离力或温差才能使材料分离，这显然增加了激光切割分离工序，降低了切割分离的效率。
发明内容
针对以上超短脉冲(皮秒和飞秒)激光烧蚀切割分离透明脆性材料加工过程中存在的改进需求，本发明的目的在于提供一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置，通过对切割方法的切割原理、加工工艺流程的整体设计，以及对应装置的各构成组件及它们的连接关系等进行改进，以超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，利用复合激光将超快激光烧蚀改性机理和连续激光热应力切割分离机理同时同光轴作用于透明脆性材料，可一次高速完成切割分离透明脆性材料，无需后续施加分离力或温差进行分离工序，能够简化工艺流程，提高激光切割分离透明脆性材料的加工效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，该方法是采用超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，将所述超短脉冲激光与所述连续激光同光轴合束得到贝塞尔合成激光束，利用该贝塞尔合成激光束对待处理的透明脆性材料进行激光扫描，能够同时基于该贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分对透明脆性材料的烧蚀改性机理、以及连续激光部分对透明脆性材料的热应力切割分离机理，实现激光复合切割分离透明脆性材料；
其中，所述超短脉冲激光为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光。
作为本发明的进一步优选，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光，其频率满足1-2000kHz，峰值功率密度满足高于1012W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分能够在所述透明脆性材料上预加工出微点柱状改性微通道，从而减弱该透明脆性材料沿贝塞尔合成激光束扫切割分离路径方向的结合力；
作为贝塞尔激光光源的所述连续激光，其功率密度满足低于1011W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中连续激光部分能够同时对所述透明脆性材料中被所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分改性的区域进行加热，引起微点柱状改性微通道之间的透明脆性材料受热膨胀；
这样基于所述贝塞尔合成激光束的整体作用，当贝塞尔合成激光束离开作用区后，受热膨胀的透明脆性材料通过界面对流散热和自身传导散热迅速冷却，诱导出大于柱状改性微通道之间透明脆性材料结合力的拉应力，使透明脆性材料上迅速形成贯穿微裂纹，然后断开，从而实现透明脆性材料一次性切割分离。
作为本发明的进一步优选，所述贝塞尔合成激光束的激光扫描速率不低于100mm/s；
作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光及所述连续激光它们的波长均满足266-2000nm。
作为本发明的进一步优选，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者波长不同；
或者，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者偏振方向不同；优选的，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有P偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有S偏振方向的连续激光，或者作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有S偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有P偏振方向的连续激光。
作为本发明的进一步优选，所述贝塞尔合成激光束，其中心主瓣直径不超过3微米。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种激光复合切割分离透明脆性材料的装置，其特征在于，包括超短脉冲激光输出组件、连续激光输出组件、合束组件、贝塞尔激光合成组件及xy两维工作台(18，43)；其中，所述xy两维工作台(18，43)用于放置待处理的透明脆性材料，并能够带动该待处理的透明脆性材料在xy平面内运动；
所述超短脉冲激光输出组件包括超短脉冲激光器(1，30)和与该超短脉冲激光器(1，30)配合使用的第一扩束准直镜(3，32)，用于输出超短脉冲激光；该超短脉冲激光具体为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光；
所述连续激光输出组件包括连续激光器(11，44)和与该连续激光器(11，44)配合使用的第二扩束准直镜(13，46)，用于输出连续激光；
所述合束组件用于将所述超短脉冲激光与所述连续激光进行同光轴合束成复合激光；
所述贝塞尔激光合成组件则用于对所述复合激光进行处理，使其转变为贝塞尔合成激光束；该贝塞尔合成激光束进一步被传输至所述xy两维工作台(18，43)上，能够对所述待处理的透明脆性材料进行一次性切割分离。
作为本发明的进一步优选，所述合束组件具体为偏振合束镜(5)；所述超短脉冲激光与所述连续激光两者偏振方向不同；
优选的，所述超短脉冲激光为具有P偏振方向的超短脉冲激光，所述连续激光为具有S偏振方向的连续激光；或者，所述超短脉冲激光为具有S偏振方向的超短脉冲激光，所述连续激光为具有P偏振方向的连续激光。
作为本发明的进一步优选，所述合束组件具体为双波长合束镜(34)；所述超短脉冲激光与所述连续激光两者波长不同，且能够被所述双波长合束镜(34)同光轴合束成复合激光。
作为本发明的进一步优选，所述贝塞尔激光合成组件包括锥透镜(8，37)以及由两个透镜组成的4f系统；所述复合激光经该贝塞尔激光合成组件处理后，将转变为中心主瓣直径不超过3微米的贝塞尔合成激光束。
作为本发明的进一步优选，所述超短脉冲激光器(1，30)用于输出波长满足266-2000nm的超短脉冲激光；
所述连续激光器(11，44)用于输出波长满足266-2000nm的连续激光；
所述xy两维工作台(18，43)能够带动所述待处理的透明脆性材料以速率不低于100mm/s的速度移动。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，根据贝塞尔光束具有长焦深的特点，以超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，利用复合激光将超快激光烧蚀改性机理和连续激光热应力切割分离机理同时同光轴作用于透明脆性材料，能够实现透明脆性材料一次性高速切割分离，无需后续施加分离力或温差进行分离工序。具体说来，本发明利用超短脉冲激光对透明脆性材料烧蚀改性机理，尤其可采用重复频率满足1-2000kHz、峰值功率密度满足高于1012W/cm2的超短脉冲贝塞尔光束，在透明脆性材料上预加工出微点柱状改性微通道，减弱透明脆性材料沿扫切割分离路径方向的结合力；同时利用激光热应力切割分离机理，尤其可采用功率密度满足低于1011W/cm2的连续贝塞尔激光对透明脆性材料的改性区进行加热，在不发生任何熔化或烧蚀现象的前提下，仅引起柱状改性微通道之间的透明脆性材料受热膨胀。当激光束离开作用区后，受热膨胀的性材料通过界面对流散热和自身传导散热迅速冷却，诱导出大于柱状改性微通道之间的脆性材料结合力的拉应力，迅速形成贯穿微裂纹，将其断开，从而实现透明脆性材料一次性高速切割分离，无需后续施加分离力或温差进行分离工序，提高了切割分离透明脆性材料的加工效率。
超短脉冲激光器输出的激光束与连续激光激光器输出的激光束，这两束激光经过各自的扩束准直镜放大准直后，通过一个偏振合束镜或双波长合束镜，合束在同一个光轴上，形成合束激光束；合束激光束再通过贝塞尔激光合成组件形成贝塞尔光束(合束激光束尤其可以是先通过一个锥透镜，再被两个透镜组成的4f系统聚焦，形成中心主瓣直径小于3微米的贝塞尔光束)，对位于两维工作台上的透明脆性材料进行激光复合切割分离。进一步的，可以通过控制二维工作台运动，能够实现透明脆性材料的任意曲线的一次性切割分离。
本发明适用于各种性能的玻璃，光学晶体材料和蓝宝石材料以及硅晶材料等透明脆性材料。本发明优选将超短脉冲激光和连续激光的波长均控制为266-2000nm，这一波长条件下，能够对以玻璃为代表的透明脆性材料具有良好的透射性。
附图说明
图1是激光复合切割分离透明脆性材料的装置之一示意图。
图2是激光复合切割分离透明脆性材料的装置之二示意图。
图中各附图标记的含义如下：1为超短脉冲激光器，2为P(或S)偏振激光束，3为扩束准直镜(即，第一扩束准直镜)，4为激光束，5为偏振合束镜，6为合成同光轴激光束，7为导光镜，8为锥透镜，9为贝塞尔合成激光束，10为工控机，11为连续激光器，12为具有S(或P)偏振激光束，13为扩束准直镜(即，第一扩束准直镜)，14为激光束，15为导光镜，16为贝塞尔合成光束，17为透明脆性材料，18为xy两维工作台(即，xy工作台)，19为聚焦镜，20为聚焦镜，30为超短脉冲激光器，31为超短脉冲激光束，32为扩束准直镜(即，第二扩束准直镜)，33为激光束，34为双波长合束镜，35为同光轴的激光束，36为导光镜，37为锥透镜，38为贝塞尔合成激光束，39为聚焦镜，40为聚焦镜，41为贝塞尔合成光束，43为xy两位工作台，44为连续激光器，45为连续激光束，46为扩束准直镜(即，第二扩束准直镜)，47为激光束，48为导光镜，49为工控机。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示是本发明中实现激光复合切割分离透明脆性材料的装置之一。该装置主要由超短脉冲激光器1、连续激光器11、扩束准直镜3和13，偏振合束镜5、导光镜7和15、锥透镜8，聚焦镜19和20以及xy两维工作台18组成。该装置适用于偏振方向不同的超短脉冲激光与连续激光。
例如，超短脉冲激光器1输出波长的范围(266-2000nm)并具有P(或S)偏振激光束2，经过扩束准直镜3扩束准直后为激光束4，进入偏振合束镜5对P(或S)偏振激光透射的透射端；连续激光器11输出波长的范围(266-2000nm)并具有S(或P)偏振激光束12，经过扩束准直镜13扩束准直后为激光束14，由导光镜15将激光束14导入偏振合束镜5对S(或P)偏振激光反射的反射端；激光束4和14通过了偏振合束镜5后，合成同光轴的激光束6，并通过导光镜7输入到锥透镜8。合成同光轴激光束6经过锥透镜8后，形成贝塞尔合成激光束9，并经过由聚焦镜19和20组成的4f系统，将贝塞尔合成光束的中心主瓣直径压缩到几微米的贝塞尔合成光束16，无衍射传输距离贯穿于透明脆性材料17的整个厚度。透明脆性材料17固定在xy两维工作台18上，可进一步采用工控机10控制超短脉冲激光器1、连续激光器11和xy工作台18对透明脆性材料17实施任意曲线的激光复合切割分离。
图2所示是本发明另一种能实现激光复合切割分离透明脆性材料的装置。该装置是由超短脉冲激光器30、连续激光器44、扩束准直镜32和46，双波长合束镜34、导光镜36和48、锥透镜37，聚焦镜39和40以及xy工作台43组成。该装置适用于波长不同的超短脉冲激光与连续激光(对超短脉冲激光与连续激光二者的偏振方向没有要求)。
超短脉冲激光器30输出波长的范围(266-2000nm)激光束31，经过扩束准直镜32扩束准直后为激光束33，进入双波长合束镜34对该波长激光具有透射功能的一面；连续激光器44输出波长的范围(266-2000nm)激光束45，经过扩束准直镜46扩束准直后为激光束47，由导光镜48将激光束47导入双波长合束镜34对该波长激光具有反射功能的一面；激光束33和47通过了双波长合束镜34后，合成同光轴的激光束35，并通过导光镜36输入到锥透镜37，合成同光轴激光束36经过锥透镜37后，形成贝塞尔合成激光束38，并经过由聚焦镜39和40组成的4f系统，将贝塞尔合成光束的中心主瓣直径压缩到小于3微米的贝塞尔合成光束41，无衍射传输距离贯穿于透明脆性材料17的整个厚度。透明脆性材料17固定在xy两维工作台43上，工控机49控制超短脉冲激光器30、连续激光器44和xy工作台43对透明脆性材料17实施任意曲线的激光复合切割分离。超短脉冲激光与连续激光二者具体的波长范围可根据双波长合束镜34的型号而定，例如：超短脉冲激光的波长可以为400-700nm，连续激光的波长可以为800-1300nm。
以下为具体实施例：
实例1：采用第一种激光复合切割分离透明脆性材料的装置，使用脉宽为10皮秒、波长为1064nm和输出P偏振方向激光束的超短脉冲激光器以及波长为1070nm和输出S偏振方向连续激光束光纤激光器。超短脉冲激光器输出功率和重复频率分别为70W和1500kHz，连续光纤激光器输出功率为500W，厚度为1mm的钠钙玻璃固定在xy工作台上，xy工作台移动速度为300mm/s。采用激光复合切割分离透明脆性材料方法，实现了厚度为1mm的钠钙玻璃的一次性切割分离，切割分离表面崩边小于1μm，切割分离表面粗糙度小于0.2μm。
实例2：采用第一种激光复合切割分离透明脆性材料的装置，使用脉宽为10皮秒、波长为1064nm和输出P偏振方向激光束的超短脉冲激光器以及波长为1070nm和输出S偏振方向激光束的连续光纤激光器。超短脉冲激光器输出功率和重复频率分别为12W和80kHz，连续光纤激光器输出功率为25W，厚度为0.7mm的铝硅强化玻璃固定在xy工作台上，xy工作台移动速度为400mm/s.采用激光复合切割分离透明脆性材料方法，实现了厚度为0.7mm厚的铝硅强化玻璃的一次性切割分离，切割分离表面没有任何较大的碎屑和裂纹存在，上下分离表面的边缘烧蚀痕迹宽度小于2μm，切割分离表面粗糙度小于0.3μm。
实例3：采用第二种激光复合切割分离透明脆性材料的装置，使用脉宽为10皮秒、波长为532nm和输出P偏振方向激光束的超短脉冲激光器以及波长为1070nm和输出任意偏振方向激光束的连续光纤激光器。超短脉冲激光器输出功率和重复频率分别为3W和30kHz，连续光纤激光器输出功率为200W，厚度为0.5mm的石英玻璃固定在xy工作台上，xy工作台移动速度为100mm/s，采用激光复合切割分离透明脆性材料方法，实现了厚度为0.5mm厚的石英玻璃的一次性切割分离，切割分离表面没有任何较大的碎屑和裂纹存在，上下分离表面的边缘烧蚀痕迹宽度小于1μm，切割分离表面粗糙度小于0.1μm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述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之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，该方法是采用超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，将所述超短脉冲激光与所述连续激光同光轴合束得到贝塞尔合成激光束，利用该贝塞尔合成激光束对待处理的透明脆性材料进行激光扫描，能够同时基于该贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分对透明脆性材料的烧蚀改性机理、以及连续激光部分对透明脆性材料的热应力切割分离机理，无需后续施加分离力或温差进行分离工序，即可实现激光复合切割分离透明脆性材料；
其中，所述超短脉冲激光为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光；
作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光，其频率满足1-2000kHz，峰值功率密度满足高于1012W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分能够在所述透明脆性材料上预加工出微点柱状改性微通道，从而减弱该透明脆性材料沿贝塞尔合成激光束扫切割分离路径方向的结合力；
作为贝塞尔激光光源的所述连续激光，其功率密度满足低于1011W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中连续激光部分能够同时对所述透明脆性材料中被所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分改性的区域进行加热，引起微点柱状改性微通道之间的透明脆性材料受热膨胀；
这样基于所述贝塞尔合成激光束的整体作用，当贝塞尔合成激光束离开作用区后，受热膨胀的透明脆性材料通过界面对流散热和自身传导散热迅速冷却，诱导出大于柱状改性微通道之间透明脆性材料结合力的拉应力，使透明脆性材料上迅速形成贯穿微裂纹，然后断开，无需后续施加分离力或温差进行分离工序，即可实现透明脆性材料一次性切割分离。
2.如权利要求1所述激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，所述贝塞尔合成激光束的激光扫描速率不低于100mm/s；
作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光及所述连续激光它们的波长均满足266-2000nm。
3.如权利要求1所述激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者波长不同；
或者，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者偏振方向不同。
4.如权利要求3所述激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有P偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有S偏振方向的连续激光，或者作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有S偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有P偏振方向的连续激光。
5.如权利要求1所述激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，所述贝塞尔合成激光束，其中心主瓣直径不超过3微米。
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