CN111151895A - 一种利用成丝效应切割透明材料的工艺及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用成丝效应切割透明材料的工艺及系统，利用超快激光在透明材料中传输时产生的一种非线性光学现象，引起的自聚焦与弱电离产生的等离子体散焦之间的动态平衡形成长距离的窄光束，同时通过对光束能量和长度的控制，可以实现对玻璃、蓝宝石等透明脆性材料的精细加工。使用超快激光器加工蓝宝石，基本没有微裂纹，崩边小且断面粗糙度小，同时加工速度快。加工带油墨的蓝宝石热影响小，且边缘油墨不成锯齿状。

Description

一种利用成丝效应切割透明材料的工艺及系统

技术领域

本发明涉及透明材料精细加工领域，尤其是指一种利用成丝效应切割透明材料的工艺及系统。

背景技术

随着光电行业和光通讯行业的高速发展，玻璃、蓝宝石等脆性透明材料因其良好的综合性能被广泛应用。因此对脆性材料的加工质量和加工效率的要求在不断的提高，脆性透明材料加工后崩边、断面粗糙度等问题也得到了越来越多的重视。目前对脆性透明材料的加工方法主要有机械切割、激光烧蚀切割、激光隐形切割、激光贝塞尔切割等技术。机械切割与激光烧蚀切割两种方式不适用于精细加工，隐形切割崩边效果可以，但断面粗糙度太大且加工厚度较大的材料效率较低，激光贝塞尔切割崩边和断面粗糙度能满足需求，但不适合加工多层叠加的产品。

因此，如何解决透明材料加工过程中的效率、微裂纹以及崩边的问题，是需要研究的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种微裂纹较少、崩边小、断面粗糙度小、加工速度快的利用成丝效应切割透明材料的工艺及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种利用成丝效应切割透明材料的工艺，包括以下步骤：

a、材料预切割：调整第一激光器的输出参数并且确认切割路径，所述第一激光器输出的激光脉冲逐步释放，所述激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络中至少有2个子脉冲，激光脉冲依次经过凹透镜和凸透镜后到达透明材料的表面；

b、材料裂片：第二激光器沿所述第一激光器的切割路径对透明材料进行裂片。

进一步地，所述步骤a中，所述第一激光器为红外皮秒激光器。

进一步地，所述步骤a中，所述第一激光器的脉宽小于15皮秒，所述第一激光器的单脉冲能量大于150μj。

进一步地，所述步骤b中，所述第二激光器为CO2激光器。

进一步地，所述步骤b中，采用工业定位相机对透明材料的切割路径进行定位。

进一步地，所述透明材料为蓝宝石。

进一步地，所述步骤a中，所述激光脉冲的脉冲包络有3-5个子脉冲。

进一步地，所述步骤a的输出参数中，切割厚度为0.1-10mm，切割速度为50-1000mm/s，点间距为4-10μm，Q频为50-200KHz。

进一步地，所述步骤a的输出参数中，所述第一激光器的激光光束的焦点位置为正焦。

与此同时，本发明还提供了一种用于上述所述工艺的系统，包括第一激光器、反射镜、成丝切割头、精密移动平台、工业定位相机、第二激光器和控制系统；

所述第一激光器、成丝切割头、精密移动平台、工业定位相机、第二激光器与所述控制系统电信号连接；

所述成丝切割头包括凹透镜和凸透镜；

所述第一激光器、反射镜、凹透镜、凸透镜以及精密移动平台沿激光光路顺次设置。

本发明的有益效果在于：利用超快激光在透明材料中传输时产生的一种非线性光学现象,即光克尔效应或成丝效应,引起的自聚焦与弱电离产生的等离子体散焦之间的动态平衡形成长距离的窄光束，又通过对光束能量和长度的控制，可以实现对玻璃、蓝宝石等透明脆性材料的高精细加工。使用超快激光器加工蓝宝石，基本没有微裂纹，崩边小且断面粗糙度小，加工速度快。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构：

图1为本发明的系统工作原理图；

图2为本发明的第一激光器脉冲包络示意图1；

图3为本发明的第一激光器脉冲包络示意图2；

图4为本发明的第一激光器脉冲包络示意图3。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1至图4，本发明提供了一种利用成丝效应切割透明材料的工艺，包括以下步骤：

a、材料预切割：调整第一激光器1的输出参数并且确认切割路径，所述第一激光器1输出的激光脉冲逐步释放，所述激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络中至少有2个子脉冲，激光脉冲依次经过凹透镜31和凸透镜32后到达透明材料8的表面。

b、材料裂片：第二激光器沿所述第一激光器的切割路径对透明材料8进行裂片。

上述所述的工艺在使用超快激光加工后，对于透明材料8可以产生一种叫雪崩式电离的效应大幅度提高了加工效率。在强脉冲光的作用下，少量电子直接从“禁带”跃迁至“导带”，成为自由电子。这些自由电子进一步撞击临近晶格，释放出更多自由电子。这种连锁反应高效的消融了材料。这种“冷加工”机制使得透明材料8加工没有微裂纹，崩边小且断面粗糙度小。

上述所述的脉冲包络中至少有2个子脉冲，这样保证随着激光深入材料内部时有足够的能量补充。

本发明材料预切割阶段利用的原理为：第一激光器1的激光光束依次通过凹透镜31和凸透镜32后引入非常大的球差，聚焦以后在光束传播方向形成长距离的聚焦焦深,当这束聚焦的超宽激光照射到透明脆性材料上时,如玻璃/蓝宝石等材料，高强度的光会改变介质的折射率，即光克尔效应或成丝效应。由于激光是一个高斯分布，中间区域能量强，两边较弱，所以光束范围内对于折射率的改变是不均匀的。中间区域折射率大，两边小，所以就成了一个类似“透镜”的结构，而当光束越来越小，达到一个临介值，介质会被“离子化”，中心折射率骤然降低，又会变成一个类似“负透镜”的结构，光束开始发散。当光束发散一段距离后，介质不再离子化，又重新变为“透镜”结构。这样光束在材料中反复的自聚焦、散焦，然后再自聚焦、散焦的过程，形成一个距离长、能量集中的窄“光线”，这个长度至少超过瑞利长度数倍。在材料中类似一个“光刀”，把材料切分开。

在步骤b中，第二激光器采用热效应较强的激光器，沿着第一激光器的切割路径对透明材料进行裂片。切割路径附近的材料因热胀冷缩效应沿切割路径脱落，达到裂片效果。

同时，本发明还提供了一种可以实现上述工艺的系统，包括第一激光器1、反射镜2、成丝切割头3、精密移动平台4、工业定位相机5、第二激光器6和控制系统7；

第一激光器1、成丝切割头3、精密移动平台4、工业定位相机5、第二激光器6与所述控制系统7通过电信号连接；

成丝切割头3包括凹透镜31和凸透镜32；

在系统中，第一激光器1、反射镜2、凹透镜31、凸透镜32以及精密移动平台4沿激光光路顺次设置。

上述系统在控制系统7的统一协调下进行工作，第一激光器1发射脉冲包络，经反射镜2的反射后到达成丝切割头3。成丝切割头3包括一个凹透镜31和一个凸透镜32，第一激光器1发射的脉冲包络经过凹透镜31和凸透镜32后，引入非常大的球差，聚焦以后在光束传播方向形成长距离的聚焦焦深,当这束聚焦的超宽激光照射到透明脆性材料上时,如玻璃/蓝宝石等材料，高强度的光会改变介质的折射率。工作原理同上述所述工艺中材料预切割原理一致，可以实现材料预切割所述的效果。

控制系统7连接有精密移动平台4，将透明材料8放置在精密移动平台4上，进而可以对透明材料8的切割路径精密控制。

控制系统7还连接有工业定位相机5，工业定位相机5将位置信息反馈给控制系统7，进而驱动精密移动平台4的移动，以便对于确认加工位置和切割路径。

控制系统7还连接有第二激光器6，第二激光器6采用热效应较强的激光器，当第二激光器6的光束经过切割路径时，切割路径附近的材料因热胀冷缩效应沿切割路径脱落，达到裂片效果。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：利用激光光束依次通过凹透镜和凸透镜后引入非常大的球差，聚焦以后在光束传播方向形成长距离的聚焦焦深,当这束聚焦的超宽激光照射到透明脆性材料上时,如玻璃/蓝宝石等材料，高强度的光会改变介质的折射率，即光克尔效应或成丝效应。对玻璃、蓝宝石等透明脆性材料的高精细加工。脉冲包络中至少有2个子脉冲，这样保证随着激光深入材料内部时有足够的能量补充。使用本发明所述的工艺对透明材料进行加工，基本没有微裂纹，崩边小且断面粗糙度小，加工速度快。

实施例1

在透明材料的加工过程中，为了确保切割过程中激光器有足够的能量，能够深入材料的内部，进而达到切割效果，本实施例中第一激光器1选择红外皮秒激光器进行材料的预切割。

蓝宝石因其具有莫氏硬度高，电绝缘性能优良，光学透过性高，机械性能强等优点，蓝宝石被广泛地应用于微流体、窗口材料、LED半导体衬底等国防与民用工业及现代电子制造领域。目前对蓝宝石的加工需求正朝着大厚度、高精度及高效率等多方面发展。本实施例中，透明材料的可以为用途广泛的蓝宝石。

红外皮秒激光器的脉宽小于15皮秒，以满足蓝宝石可形成雪崩效应。同时，红外皮秒激光器的单脉冲能量大于150μj,达到蓝宝石可以成丝的阈值。对于不同的透明材料，红外皮秒激光器的脉宽以及单脉冲能量可以调整，满足不同透明材料的加工需求。

在发明提供的工艺以及系统中，第二激光器6采用热效应较强的激光器，当第二激光器6的光束经过切割路径时，切割路径附近的材料因热胀冷缩效应沿切割路径脱落，达到裂片效果。本实施例中，第二激光器6选择热效应较强的CO2激光器。

在发明提供的工艺以及系统中，第一激光器1根据切割路径对透明材料进行加工，加工的过程中需要确认加工位置，进而在透明材料上实现将要完成的加工图案。本实施例中，通过工业定位相机来识别加工位置，工业定位相机采用CCD相机。

实施例2

在切割工艺中，输出参数的选择将会影响加工效果，因此本实施例中，对于输出参数做了进一步的优选，从而实现更好的切割效果，具体如下：

预切割过程中，脉冲包络的子脉冲数量设置为3-5个，这样的预切割效果便于裂片。

在透明材料切割过程中，不同的切割路径以及不同的产品对切割深度有着不同的需求，本发明提供的加工工艺可以提供不同的切割厚度。

具体的，可以通过改变激光器单脉冲能量、凹透镜和凸透镜的焦距大小或者两透镜之间的距离改变光束长度实现不同厚度的材料的切割，进而达到不同的切割厚度，本实施例中，切割厚度可以在0.1-10mm之间选择。

切割速度可以设定为50-1000mm/s，速度快时，切割效率越高，速度慢时，便于控制，加工精度高。

点间距为4-10μm，点间距太小，会造成切割后截面太粗糙，点间距太大，不易裂片。点间距保持在4-10μm之间时，可以在保证截面粗糙度较小的同时，方便后续的裂片工作。

Q频为50-200KHz，能够满足预激光切割时，成丝效应的单脉冲能量。

激光光束的焦点位置为正焦，焦点位于透明材料8上方零至几十微米处，正焦处可以形成成丝效应。

综上所述，本发明提供的一种利用成丝效应切割透明材料的工艺，利用超快激光在透明材料中传输时产生的一种非线性光学现象,即光克尔效应或成丝效应，引起的自聚焦与弱电离产生的等离子体散焦之间的动态平衡形成长距离的窄光束，同时通过对光束能量和长度的控制，可以实现对玻璃、蓝宝石等透明脆性材料的高精细加工。使用超快激光器加工蓝宝石，基本没有微裂纹，崩边小且断面粗糙度小，同时加工速度快。加工带油墨的蓝宝石热影响小，且边缘油墨不成锯齿状。通过改变激光器单脉冲能量、凹透镜和凸透镜的焦距大小或者两透镜之间的距离改变光束长度实现不同厚度的材料的切割，进而达到不同的切割厚度。选用精密加工平台，配合工业定位相机，可以更好的提高加工精度。

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

a、材料预切割：调整第一激光器的输出参数并且确认切割路径，所述第一激光器输出的激光脉冲逐步释放，所述激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络中至少有2个子脉冲，所述激光脉冲依次经过凹透镜和凸透镜后到达透明材料的表面；

b、材料裂片：第二激光器沿所述第一激光器的切割路径对透明材料进行裂片。

2.如权利要求1所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述步骤a中，所述第一激光器为红外皮秒激光器。

3.如权利要求2所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述步骤a中，所述第一激光器的脉宽小于15皮秒，所述第一激光器的单脉冲能量大于150μj。

4.如权利要求1所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述步骤b中，所述第二激光器为CO2激光器。

5.如权利要求1所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述步骤b中，采用工业定位相机对透明材料的切割路径进行定位。

6.如权利要求3所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述透明材料为蓝宝石。

7.如权利要求1-6任一所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述步骤a中，所述激光脉冲的脉冲包络有3-5个子脉冲。

8.如权利要求7所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述步骤a的输出参数中，切割厚度为0.1-10mm，切割速度为50-1000mm/s，点间距为4-10μm，Q频为50-200KHz。

9.如权利要求8所述的利用成丝效应切割透明材料的工艺，其特征在于：所述步骤a的输出参数中，所述第一激光器的激光光束的焦点位置为正焦。

10.一种用于如权利要求1-9任一所述的工艺的系统，其特征在于：包括第一激光器、反射镜、成丝切割头、精密移动平台、工业定位相机、第二激光器和控制系统；

所述第一激光器、成丝切割头、精密移动平台、工业定位相机、第二激光器与所述控制系统电信号连接；

所述成丝切割头包括凹透镜和凸透镜；

所述第一激光器、反射镜、凹透镜、凸透镜以及精密移动平台沿激光光路顺次设置。

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