CN111098045A - 一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，沿着光路传播路径，所述加工系统依次包括：激光器、扩束镜、动态光束整形系统、振镜、加工物镜、玻璃工件，所述玻璃工件安装在工装夹具上；所述加工系统还包括辅助系统，用于在激光打孔过程中对孔中残留的粉尘进行排除；经过所述加工物镜形成的激光光斑首先作用于玻璃工件的下表面，通过调整光斑在玻璃工件中的深度，使得激光从下往上对玻璃工件进行打孔；所述辅助系统位于玻璃工件下方，从玻璃工件下方去除激光打孔过程中产生的粉尘，从而减小了由于正面加工激光传输效应所造成的背面损伤等问题。

Description

一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统及方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体是一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统及方法，适用于各种玻璃等透明脆性材料，可以应用于透气阵列孔、散热阵列孔等3C行业所需的精密深孔阵列加工。
背景技术
玻璃，拥有良好的透光性能，以及较好的化学稳定性。因此在建筑行业、日用、艺术、医疗、化学、电子、仪表、光学器件等方面有广泛应用。
但是由于玻璃抗拉强度远低于抗压强度，是典型的脆性材料，因此在玻璃的加工过程中容易产生裂纹等缺陷，影响产品强度。传统的激光微小深孔加工主要是采用激光使得材料损伤，再通过化学腐蚀去除损失材料，得到微小深孔。该方法不仅工序繁琐，而且玻璃腐蚀剂通常对环境有极大伤害。另外一种方法则是，采用激光直接从上往下去除加工。这一类方法无任何繁杂工序，但加工出的微孔往往会有5-10度的锥度，并且由于激光传输效应导致孔出口面存在一定范围损伤，不仅如此，当孔径降至0.1mm，深径比达到5：1时，出口孔径只有10um左右。即使采用倾斜光线加工去除锥度，背面仍然存在30um左右宽度的损伤值。最后一种方法则是从下往上加工并辅助以水除尘，激光从下往上加工中伴有水，保证了加工过程中孔的锥度。对于较大孔加工，可利用静态水辅助加工，不会出现动态水在穿孔瞬间水漫过上表面，影响上表面孔加工质量，通常用水辅助加工上表面质量较差，崩边较大，对于微小孔而言，还有可能出现出口呈椭圆，三角等异常形状，并且在大幅面加工时，存在的水平问题，导致有些孔在穿透后加工时间过长的现象。
公开号为CN110238546A的专利公开了一种基于空间光束整形的飞秒激光加工阵列微孔的系统，属于激光应用技术领域。本发明加工系统，利用空间光调制器SLM，通过设计不同的相位，将单束飞秒激光整形成为具有特定空间分布的多光束阵列光场，调整激光重复频率、激光束腰半径，激光脉冲能量，最后通过光学器件搭建光路将整形完的飞秒激光聚焦到样品表面，实现在多种材料上的高质量、无接触、高效率、大面积的阵列微孔加工，具有高度可重复性与灵活性。本发明系统应用于阵列微孔加工时，有效避免由于激光本身高斯分布所引起的分束不均一性，提高阵列微孔的均一性与质量。通过空间光调制器所加载相位的变化可以自由调控阵列微孔的数量与分布，无需配置多种元件，具有高度可调节性。
公开号为CN108161250A的专利公开了多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法及装置，激光器输出光束，扩束镜对光束的直径及发散角度进行连续调节，第一反射单元将光束反射至激光光束首次整形装置，光束首次整形装置将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个或多个环形区域内，光束二次整形装置将光束进行再次整形，对激光光束能量分布及大小调节，动态控制焦点分布范围，第二反射单元将光束入射至聚焦镜，对光束聚焦，光束形成有限范围内分布的多焦点，焦点分布范围包含被加工对象；X-Y轴运动平台，承载被加工对象，相对于聚焦镜运动。基于激光应力诱导切割技术的延展技术通过增加沿光轴方向的焦点数量实现脆性透明材料的加工。
由上可知现有技术存在的主要问题有四，一是对于玻璃这种脆性材料的从上往下的加工，存在粉尘堆积，不易排除，因而存在一定锥度。二是配合化学腐蚀方法程序繁琐且对环境有害。三是水辅助加工影响上表面质量，工艺效果不稳定影响，影响良率。四是只能同时加工一个孔，影响效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统及方法，解决了微孔加工中存在粉尘堆积、孔加工边缘表面损伤、加工单孔效率低下等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，包括：
激光器，用于产生激光脉冲；
扩束镜，用于对激光器产生的激光脉冲进行扩束；
动态光束整形系统，用于对多束激光脉冲进行光束整形；
振镜，用于控制多束激光在玻璃工件预定位置进行打孔；
加工物镜，用于对振镜的出射激光进行聚焦；
工装夹具，用于夹持待打孔的玻璃工件；
辅助系统，用于去除激光打孔过程中产生的粉尘；
运动系统，用于调节激光加工的位置、深度以及辅助系统作用的位置；
所述激光器产生的激光脉冲依次经过扩束镜、动态光束整形系统、振镜、加工物镜后，作用在玻璃工件上，对玻璃工件进行打孔；
经过所述加工物镜形成的激光光斑首先作用于玻璃工件的下表面，通过调整光斑在玻璃工件中的深度，使得激光从下往上对玻璃工件进行打孔；
所述辅助系统位于玻璃工件下方，从玻璃工件下方去除激光打孔过程中产生的粉尘。
具体地，所述运动系统包括第一位移平台、第二位移平台和第三位移平台；
所述振镜、加工物镜安装在第一位移平台上，所述第一位移平台为一维位移平台，用于调节振镜和加工物镜在Z轴方向运动；
所述工装夹具安装在第二位移平台上，所述第二位移平台为二维位移平台，用于调节玻璃工件在X轴、Y轴方向运动；
所述辅助系统安装在第三位移平台上，所述第三位移平台为三维位移平台，用于调节辅助系统在X轴、Y轴和Z轴方向运动；
其中X轴、Y轴构成的平面与玻璃工件的表面平行，Z轴与玻璃工件的表面垂直。
具体地，所述辅助系统包括喷嘴、水泵、气泵、三通阀；所述水泵的入口与水源连通，所述气泵的入口与气源连通，所述三通阀设有两个入口和一个出口，所述三通阀的两个入口分别与水泵、气泵的出口连通，所述三通阀的出口与喷嘴的入口通过软管连通，所述喷嘴的出口正对玻璃工件的下表面。
进一步地，所述辅助系统在激光打孔过程中分两阶段进行除尘；
第一阶段，当激光光斑对玻璃工件下半部进行加工时，所述三通阀接通水泵与喷嘴，关闭气泵与喷嘴的连通，通过水流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘；
第二阶段，当激光光斑对玻璃工件上半部进行加工时，所述三通阀接通气泵与喷嘴，关闭水泵与喷嘴的连通，通过气流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘；
本发明中通过水流和气流辅助激光加工是为了排出孔内残留的粉尘，由于气流排除粉尘的能力比水流较弱，因此，对玻璃工件下半部进行加工时，采用水流辅助加工；但是为了避免水流溢出到玻璃上表面，玻璃工件上表面的激光会在水中发生折射，从而对玻璃孔上表面边缘产生损伤，本发明中，当加工玻璃上半部时，改用气流进行辅助加工，可以避免水辅助加工造成的缺陷。
具体地，所述激光器产生的激光脉宽为100fs～3ps，波长为1030～1090nm。
具体地，所述激光光斑的直径为1～15um。
具体地，所述多束激光脉冲中激光单脉冲的能量密度为1～70uJ/cm2。
与上述加工系统相对应的，本发明还提供了一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工方法，包括以下步骤：
S1，通过工装夹具固定好玻璃工件，调整激光光路，使加工物镜透射出来的激光垂直作用于玻璃工件表面；
S2，通过运动系统调整喷嘴的位置，使喷嘴作用的位置与激光加工的位置对应；
S3，设置激光加工过程中的运动参数；
S4，打开辅助系统和激光器，激光器发出的激光从玻璃工件下表面开始加工，从下往上对玻璃工件进行打孔；辅助系统从玻璃工件下表面去除激光加工过程中产生的粉尘。
具体地，步骤S3中，设置激光加工过程中的运动参数包括：光斑运动的起点、终点和运动速度；辅助系统的加工起点、终点和加工速度。其中，光斑运动的起点为玻璃工件下表面，终点为玻璃工件下表面；辅助系统中水流辅助的起点为玻璃工件下表面，终点为玻璃工件下半部顶面；辅助系统中气流辅助的起点为玻璃工件下半部顶面，终点为玻璃工件上表面。
具体地，步骤S4中，所述辅助系统在激光打孔过程中分两阶段进行除尘；
第一阶段，当激光光斑对玻璃工件下半部进行加工时，通过水流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘；
第二阶段，当激光光斑对玻璃工件上半部进行加工时，通过气流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过控制激光光斑从下往上对玻璃工件进行加工，避免了从上往下加工存在的粉尘堆积不易排除，进而导致存在一定锥度的问题，从而减小了由于正面加工激光传输效应所造成的背面损伤等问题；(2)相较传统的喷水辅助加工，本发明分步通过水辅助和气辅助加工，避免了由于玻璃工件上表面积水造成的孔顶部边缘损伤的缺陷；(3)本发明通过设置动态光束整形系统，可根据实际需求编辑孔阵列，同时加工多个孔，极大地提高了激光打孔的效率。
附图说明
图1为本发明一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统的结构示意框图；
图2为本发明实施例中激光加工第一阶段到第二阶段的部分光路示意图；
图3为本发明实施例中玻璃工件0.04mm孔阵列的显微图；
图4为本发明实施例中0.05mm“A”形孔阵列示意图；
图中：1、激光器；2、扩束镜；3、动态光束整形系统；4、振镜；5、加工物镜；6、工装夹具；7、玻璃工件；8、第一位移平台；9、第二位移平台；10、第三位移平台；11、喷嘴；12、水泵；13、气泵；14、三通阀；15、软管。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，沿着光路传播路径，所述加工系统依次包括：激光器1、扩束镜2、动态光束整形系统3、振镜4、加工物镜5、玻璃工件7，所述玻璃工件7安装在工装夹具6上；所述加工系统还包括辅助系统，用于在激光打孔过程中对孔中残留的粉尘进行排除；经过所述加工物镜5形成的激光光斑首先作用于玻璃工件7的下表面，通过调整光斑在玻璃工件7中的深度，使得激光从下往上对玻璃工件7进行打孔；所述辅助系统位于玻璃工件7下方，从玻璃工件7下方去除激光打孔过程中产生的粉尘。
所述加工系统还包括第一位移平台8、第二位移平台9和第三位移平台10；
所述振镜4、加工物镜5安装在第一位移平台8上，所述第一位移平台8为一维位移平台，用于调节振镜4和加工物镜5在Z轴方向运动，进而调节光斑在玻璃工件7中的深度；
所述工装夹具6安装在第二位移平台9上，所述第二位移平台9为二维位移平台，用于调节玻璃工件7在X轴、Y轴方向运动；
所述辅助系统安装在第三位移平台10上，所述第三位移平台10为三维位移平台，用于调节辅助系统在X轴、Y轴和Z轴方向运动，使辅助系统的位置始终与加工的孔位对应；
其中X轴、Y轴构成的平面与玻璃工件7的表面平行(即水平方向)，Z轴与玻璃工件7的表面垂直(即竖直方向)。
具体地，所述辅助系统包括喷嘴11、水泵12、气泵13、三通阀14；所述水泵12的入口与水源连通，所述气泵13的入口与气源连通，所述三通阀14设有两个入口和一个出口，所述三通阀14的两个入口分别与水泵12、气泵13的出口连通，所述三通阀14的出口与喷嘴11的入口通过软管15连通，所述喷嘴11的出口正对玻璃工件7的下表面；所述喷嘴11安装在第三位移平台10上，喷嘴11可以设有多个；
进一步地，如图2所示，所述辅助系统在激光打孔过程中分两阶段进行除尘；
第一阶段，当激光光斑对玻璃工件7下半部进行加工时，所述三通阀14接通水泵12与喷嘴11，关闭气泵13与喷嘴11的连通，通过水流对玻璃工件7底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘；
第二阶段，当激光光斑对玻璃工件7上半部进行加工时，所述三通阀14接通气泵13与喷嘴11，关闭水泵12与喷嘴11的连通，通过气流对玻璃工件7底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘；
本实施例中通过水流和气流辅助激光加工是为了排出孔内残留的粉尘，由于气流排除粉尘的能力比水流较弱，因此，对玻璃工件7下半部进行加工时，采用水流辅助加工；但是为了避免水流溢出到玻璃上表面，玻璃工件7上表面的激光会在水中发生折射，从而对玻璃孔上表面边缘产生损伤，本实施例中，当加工玻璃上半部时，改用气流进行辅助加工，可以避免水辅助加工造成的缺陷。
本实施例中玻璃工件7的厚度为0.5mm，孔径为0.04mm，本实施例加工玻璃工件7的阵列孔上表面和下表面的示意图如图3所示，对比图3中孔上表面和下表面的直径可知，本实施例加工的孔几乎无锥度。
本实施例中激光器采用红外皮秒设备，脉宽为100fs～3ps，波长为1030～1090nm；
激光在焦点处形成的光斑直径为1～15um；
激光单脉冲能量密度为1～70uJ/cm2；
激光频率为1KHz～1MHz；
光斑间的叠加率为50％～99％；
所述辅助系统中喷嘴11喷出的气体垂直不发散，气压为0.1～1MPa；喷嘴11孔径为0.1～2mm，喷嘴11与加工面间距为0.5～2mm；喷嘴11喷出的水流速为100～600mm/min；
所述动态光束整形系统3可编辑10×10阵列多光束，不同形状排列；
所述工装夹具6可采用负压吸附的方式对玻璃工件7进行固定，夹持固定时，玻璃工件7水平放置，所述工装夹具6的水平度可调。
本实施例中的动态光束整形系统3可直接采用背景技术中公开的空间光调制器或其它的光束整形装置，用于孔阵列形状、位置、孔间距等参数的编辑，本实施例可加工任意形状的阵列孔，如图4所示的“A”形孔，其孔径为0.05mm。
与上述加工系统相对应的，本实施例还提供了一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工方法，包括以下步骤：
第一步，用酒精擦拭玻璃工件7表面，确保无脏污，采用工装夹具6将玻璃工件7吸附固定；
第二步，调整光路，使加工物镜5透射出来的激光垂直作用于玻璃工件7表面；
第三步，通过第三位移平台10调节喷嘴11在X、Y平面的位置，使得光束与喷嘴11对齐；调节喷嘴11在Z方向的位置，使得喷嘴11与加工面的距离在0.5～2mm之间；
第四步，编辑孔螺旋线加工模板，满足激光单脉冲能量密度处于1～70uJ/cm2；激光频率需满足1KHz～1MHz；光斑间的叠加率需满足50％～99％；
第五步，分别编辑模板在水流辅助过程中的运动参数和气流辅助过程中的运动参数；第一位移平台8沿Z轴运动的起始点、终点和运动速度，保证激光沿玻璃工件7下表面到上表面进行打孔；以下表面为起点，水流辅助的加工距离为0.25mm～0.35mm(孔顶与下表面的距离)，加工速度为0.011～0.025mm/s；气体辅助加工距离为0.005～0.1mm(孔顶与上表面的距离)，加工速度为0.001～0.01mm/s；
第六步，将编辑的模板应用于需要进行激光阵列打孔的位置点；
第七步，同时对玻璃工件7下半部进行激光加工和水辅助加工，水流速为100～600mm/min；若激光对玻璃工件7下半部完成加工(即水流辅助的加工距离满足0.25mm～0.35mm)，则转换为气体辅助，进入第八步；否则继续水辅助加工；
第八步，同时对玻璃工件7上半部进行激光加工和气体辅助加工，气体压力为0.1～1MPa；
第九步，加工完成后，取下玻璃工件7，进行超声酒精浴30min，吹干保存；
本发明的加工系统适用于在厚度为0.1～0.5mm的玻璃工件7上加工直径为0.03～0.3mm、孔间距大于50um的阵列孔。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，其特征在于，包括：
激光器，用于产生激光脉冲；
扩束镜，用于对激光器产生的激光脉冲进行扩束；
动态光束整形系统，用于对多束激光脉冲进行光束整形；
振镜，用于控制多束激光在玻璃工件预定位置进行打孔；
加工物镜，用于对振镜的出射激光进行聚焦；
工装夹具，用于夹持待打孔的玻璃工件；
辅助系统，用于去除激光打孔过程中产生的粉尘；
运动系统，用于调节激光加工的位置、深度以及辅助系统作用的位置；
所述激光器产生的激光脉冲依次经过扩束镜、动态光束整形系统、振镜、加工物镜后，作用在玻璃工件上，对玻璃工件进行打孔；
经过所述加工物镜形成的激光光斑首先作用于玻璃工件的下表面，通过调整光斑在玻璃工件中的深度，使得激光从下往上对玻璃工件进行打孔；
所述辅助系统位于玻璃工件下方，从玻璃工件下方去除激光打孔过程中产生的粉尘。
2.根据权利要求1所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，其特征在于，所述运动系统包括第一位移平台、第二位移平台和第三位移平台；
所述振镜、加工物镜安装在第一位移平台上，所述第一位移平台为一维位移平台，用于调节振镜和加工物镜在Z轴方向运动；
所述工装夹具安装在第二位移平台上，所述第二位移平台为二维位移平台，用于调节玻璃工件在X轴、Y轴方向运动；
所述辅助系统安装在第三位移平台上，所述第三位移平台为三维位移平台，用于调节辅助系统在X轴、Y轴和Z轴方向运动；
其中X轴、Y轴构成的平面与玻璃工件的表面平行，Z轴与玻璃工件的表面垂直。
3.根据权利要求1所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，其特征在于，所述辅助系统包括喷嘴、水泵、气泵、三通阀；所述水泵的入口与水源连通，所述气泵的入口与气源连通，所述三通阀设有两个入口和一个出口，所述三通阀的两个入口分别与水泵、气泵的出口连通，所述三通阀的出口与喷嘴的入口通过软管连通，所述喷嘴的出口正对玻璃工件的下表面。
4.根据权利要求3所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，其特征在于，所述辅助系统在激光打孔过程中分两阶段进行除尘；
第一阶段，当激光光斑对玻璃工件下半部进行加工时，所述三通阀接通水泵与喷嘴，关闭气泵与喷嘴的连通，通过水流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘；
第二阶段，当激光光斑对玻璃工件上半部进行加工时，所述三通阀接通气泵与喷嘴，关闭水泵与喷嘴的连通，通过气流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘。
5.根据权利要求1所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，其特征在于，所述激光器产生的激光脉宽为100fs～3ps，波长为1030～1090nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，其特征在于，所述激光光斑的直径为1～15um。
7.根据权利要求1所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工系统，其特征在于，所述多束激光脉冲中激光单脉冲的能量密度为1～70uJ/cm2。
8.一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工方法，基于权利要求1至7中任一项所述的加工系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过工装夹具固定好玻璃工件，调整激光光路，使加工物镜透射出来的激光垂直作用于玻璃工件表面；
S2，通过运动系统调整喷嘴的位置，使喷嘴作用的位置与激光加工的位置对应；
S3，设置激光加工过程中的运动参数；
S4，打开辅助系统和激光器，激光器发出的激光从玻璃工件下表面开始加工，从下往上对玻璃工件进行打孔；辅助系统从玻璃工件下表面去除激光加工过程中产生的粉尘。
9.根据权利要求8所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工方法，其特征在于，步骤S3中，设置激光加工过程中的运动参数包括：光斑运动的起点、终点和运动速度；辅助系统的加工起点、终点和加工速度。
10.根据权利要求8所述的一种用于玻璃无锥度精密深孔阵列的加工方法，其特征在于，步骤S4中，所述辅助系统在激光打孔过程中分两阶段进行除尘；
第一阶段，当激光光斑对玻璃工件下半部进行加工时，通过水流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘；
第二阶段，当激光光斑对玻璃工件上半部进行加工时，通过气流对玻璃工件底部进行清洗，去除孔内残留的粉尘。
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