CN110366472A - 用于切割硬脆性产品的激光切割头以及激光切割装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于切割硬脆性产品(10)的激光切割头，激光切割头包括依次设置的偏振元件(1)、二元相位元件(2)以及聚焦元件(3)，经过偏振元件(1)的激光形成偏振激光，射向二元相位元件(2)，并在二元相位元件(2)处形成衍射激光，再射向聚焦元件(3)，且在聚焦元件(3)处形成用于切割硬脆性产品(10)的聚焦激光。还公开了一种激光切割装置。激光先后经过偏振元件、二元相位元件和聚焦元件，最终转换成为焦深长且能量峰值功率密度变化均匀的聚焦激光，能够保证贯穿硬脆性产品，达到对硬脆性产品切割的理想效果。

Description

用于切割硬脆性产品的激光切割头以及激光切割装置
技术领域
本发明涉及激光切割领域，具体涉及用于切割硬脆性产品的激光切割头以及激光切割装置。
背景技术
随着电子行业的不断发展，用于电子产品的面板材料大部分为较透明脆性材料，例如玻璃、陶瓷等。不同产品的脆性材料部分有厚有薄，需要合适且可控的加工方法对其进行加工，给硬脆性材料切割加工行业带来挑战。
目前，玻璃等硬脆性材料的切割方式主要为刀轮切割和激光切割。对于刀轮切割方式而言，刀轮切割工艺效果、良率均较稳定，但这种机械加工方式的效率有待提高。对于激光切割方式而言，其表现出更大的潜力，激光器通过结合外部光学元件，最终实现目标光斑效果。但由于光学系统本身的光学性能，被加工材料的聚焦光斑区域处光斑大小、焦深范围等受衍射极限、光学像差的限制，对厚材料尤其是透明脆性材料的切割，普通的光路元件无法实现理想的切割效果。例如，轴棱镜是比较常见的产生贝塞尔光束的元件，但是，其加工精度和装配精度对光斑影响敏感度高，光束聚焦区域焦深内能量的峰值功率密度分布不均匀。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供用于切割硬脆性产品的激光切割头以及激光切割装置，解决现有激光切割方式对硬脆性产品无法达到理想效果的问题。
为解决该技术问题，本发明提供一种用于切割硬脆性产品的激光切割头，所述激光切割头包括依次设置的偏振元件、二元相位元件以及聚焦元件，经过偏振元件的激光形成偏振激光，射向二元相位元件，并在二元相位元件处形成衍射激光，再射向聚焦元件，且在聚焦元件处形成用于切割硬脆性产品的聚焦激光。
其中，较佳方案是：所述二元相位元件包括基座以及多个设在基座上并由内而外依次设置的圆环结构，相邻圆环结构的相位差在0.5π至2π范围内。
其中，较佳方案是：相邻圆环结构的相位差为π。
其中，较佳方案是：所述圆环结构设有四个。
其中，较佳方案是：所述聚焦元件为聚焦物镜。
其中，较佳方案是：所述聚焦物镜的NA值在0.5至1.2范围内。
其中，较佳方案是：所述聚焦物镜的NA值为0.8。
其中，较佳方案是：所述偏振元件的偏振方向为径向。
本发明还提供一种激光切割装置，所述激光切割装置包括激光器以及如上所述的激光切割头，所述激光器朝向激光切割头发射激光。
其中，较佳方案是：所述激光切割装置还包括用于夹紧硬脆性产品的夹紧装置。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计用于切割硬脆性产品的激光切割头以及激光切割装置，激光先后经过偏振元件、二元相位元件和聚焦元件，最终转换为焦深长且能量峰值功率密度变化均匀的聚焦激光，能够保证贯穿硬脆性产品，达到对硬脆性产品切割的理想效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明激光切割头的示意图；
图2是本发明二元相位元件的示意图；
图3是本发明聚焦激光的光斑的效果图；
图4是本发明光斑强度的坐标图；
图5是本发明聚焦激光在焦深内能量峰值功率密度变化均匀的效果图；
图6是本发明光斑能量密度的坐标图；
图7是本发明激光切割头打孔切割时聚焦激光的光斑的效果图；
图8是本发明激光切割头打孔切割时聚焦激光的光斑分布的效果图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1至图8所示，本发明提供一种用于切割硬脆性产品的激光切割头的优选实施例。
具体地，参考图1，一种用于切割硬脆性产品10的激光切割头，所述硬脆性产品10为玻璃或陶瓷等透明产品，常应用在电子产品上，所述激光切割头包括依次设置的偏振元件1、二元相位元件2以及聚焦元件3，具体如图1所示，所述偏振元件1、二元相位元件2以及聚焦元件3由上而下依次设置，所述硬脆性产品10设在聚焦元件3的下方。所述激光切割头还包括壳体，所述偏振元件1、二元相位元件2和聚焦元件3均设置在壳体内，并且三者分别间隔一定距离设置，所述聚焦元件3可设在壳体的头端，所述壳体可为偏振元件1、二元相位元件2和聚焦元件3提供保护作用。外部激光射向偏振元件1，所述偏振元件1的偏振方向为径向，由于激光的传播方向不同于偏振元件1的偏振方向，因此，能够在偏振元件1处形成偏振激光；随后，偏振激光射向二元相位元件2，所述二元相位元件2对偏振激光相位进行相应的调制，在二元相位元件2处形成衍射激光；衍射激光再射向聚焦元件3，且在聚焦元件3处形成用于切割硬脆性产品10的聚焦激光。
参考图3，聚焦激光的光斑非常小，能在硬脆性产品10的表面及内部形成更小的热影响区域。仿真结果为图4，X轴为光斑横向坐标，Y轴为光斑强度，可知聚焦激光的光斑非常小。参考图5，拥有长焦深的同时，整个焦深内能量峰值功率密度变化均匀，即是说，在焦深方向上的能量分布更均匀，对被切割材料内部的应力作用更均匀。仿真结果为图6，X轴为焦深方向坐标，Y轴为光斑能量密度，可知聚焦激光在焦深方向上的能量分布均匀。
所述激光切割头加工难度低，能够保证加工精度，另外，由于是采用机械安装方式，便于进行光学调试，并且，光路结构紧凑，减少了机械和空间维度带来的加工稳定性与误差，其次，聚焦激光在焦深方向上的能量分布更均匀，对被切割材料内部的应力作用更均匀，能够贯穿硬脆性产品10，达到理想的切割效果。
其中，参考图1和图2，所述二元相位元件2为二元光学元件，二元光学元件的理论基础是光的衍射理论，利用计算机辅助优化设计，以及超大集成电路工艺制作，是一种纯相位调制的衍射光学元件。所述二元相位元件2整体采用透明玻璃，包括基座以及多个刻蚀在基座上并由内而外依次设置的圆环结构21，具体如图2所示，所述圆环结构21设有四个，并且各个圆环结构21的半径不同，半径最小的圆环结构21设在内部，依照半径大小依次向外扩展设置。相邻圆环结构21的相位差在0.5π至2π范围内，相位差指激光在不同振幅状态之间的差异，优选地，相邻圆环结构21的相位差为π。
值得一提的是，若是更改入射到偏振元件1上的激光的光斑尺寸，以及更改与二元相位板相应的内部环状结构的参数，能够获得不同焦深的聚焦激光，最终实现不同厚度的硬脆性产品10的贯穿切割，满足不同电子产品在硬脆性材料部分的切割工艺方面的需求。
其中，所述聚焦元件3为聚焦物镜，所述聚焦物镜可在接收衍射激光后，对衍射激光进行聚焦，再射向硬脆性产品10。所述聚焦物镜的NA值在0.5至1.2范围内，NA值即是数值孔径，是衡量聚焦物镜的镜头收集激光的角度范围的能力的参数值，公式为：NA＝n*sinθ，n指镜头工作介质的折射率，θ是光线进入或射出镜头时最大孔径角的一半。在本实施例中，所述聚焦物镜的NA值较高，即是说，所述聚焦物镜的镜头的出射光线的最大孔径角较大。优选地，所述聚焦物镜的NA值为0.8。
需要说明的是，若是改变经过偏振元件1之后的径向偏振光拓扑电荷数，参考图7，能够获得具有不同半径的圆环状光斑，参考图8，在拥有长焦深的同时，在整个焦深内光斑分布均匀，从而实现对透明脆性材料的无锥度打孔切割。
本发明还提供一种激光切割装置的较佳实施例。
具体地，一种激光切割装置，所述激光切割装置包括激光器以及如上所述的激光切割头，所述激光器朝向激光切割头发射激光，所述激光切割头朝向硬脆性产品10发射聚焦激光，聚焦激光可对硬脆性产品10进行切割操作。
进一步地，所述激光切割装置还包括用于夹紧硬脆性产品10的夹紧装置，进行切割操作时，需通过夹紧装置夹紧硬脆性产品10。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.用于切割硬脆性产品的激光切割头，其特征在于：所述激光切割头包括依次设置的偏振元件、二元相位元件以及聚焦元件，经过偏振元件的激光形成偏振激光，射向二元相位元件，并在二元相位元件处形成衍射激光，再射向聚焦元件，且在聚焦元件处形成用于切割硬脆性产品的聚焦激光。
2.根据权利要求1所述的激光切割头，其特征在于：所述二元相位元件包括基座以及多个设在基座上并由内而外依次设置的圆环结构，相邻圆环结构的相位差在0.5π至2π范围内。
3.根据权利要求2所述的激光切割头，其特征在于：相邻圆环结构的相位差为π。
4.根据权利要求3所述的激光切割头，其特征在于：所述圆环结构设有四个。
5.根据权利要求1至4任一所述的激光切割头，其特征在于：所述聚焦元件为聚焦物镜。
6.根据权利要求5所述的激光切割头，其特征在于：所述聚焦物镜的NA值在0.5至1.2范围内。
7.根据权利要求6所述的激光切割头，其特征在于：所述聚焦物镜的NA值为0.8。
8.根据权利要求7所述的激光切割头，其特征在于：所述偏振元件的偏振方向为径向。
9.激光切割装置，其特征在于：所述激光切割装置包括激光器以及如权利要求1至8任一所述的激光切割头，所述激光器朝向激光切割头发射激光。
10.根据权利要求9所述的激光切割装置，其特征在于：所述激光切割装置还包括用于夹紧硬脆性产品的夹紧装置。
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