CN111302609A - 一种双激光束复合焊接玻璃的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双激光束复合焊接玻璃的方法及装置，包括如下步骤：将超短脉冲激光束和长脉宽激光束合束至同一个光轴上；将合束后的复合激光束转换为贝塞尔光束，并通过扫描振镜聚焦到待焊接玻璃表面；所述超短脉冲激光束使焦点附近区域的玻璃熔融，熔融的玻璃吸收长脉冲激光能量，通过吸收能量使其他区域的玻璃材料融化。本发明利用贝塞尔光束焦深长的性质，可以将焊接过程中有效焊接的聚焦范围增加许多倍，实现具有较大接触间隙的两块透明脆性材料的牢固焊接。

Description

一种双激光束复合焊接玻璃的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种双激光束复合焊接玻璃的方法及装置。

背景技术

玻璃作为一种耐蚀性和光学特性优良的透明材料，具有热稳定性好及化学稳定性好的特点，广泛应用于在光学、半导体、电子、医药等领域，实际应用中通常需要两块或多块玻璃连接使用。

目前玻璃材料的传统连接方法主要为胶粘剂粘接、直接键合、热钎焊、熔化键合、阳极键合等，其中粘接剂易受光照以及高温作用而老化，使得密封性能下降，抗腐蚀性能减弱；而直接键合对被连接件的表面质量要求过高；在钎焊连接的过程中，焊剂流动有时会对器件造成污染；熔化键合需要在真空环境，不适合批量制造；阳极键合需使用高电场，对材料表面要求高，也会使玻璃中存留大量碱金属。

超短脉冲激光具有极小的脉冲宽度和极高的峰值功率，与玻璃材料相互作用，非线性吸收效应会产生大量的等离子体，导致基材的融化，从而实现对玻璃材料的焊接。具有加工精度高、热影响区小、不易破裂、连接强度较高、空间可选择性加工等突出优点，但该方法也存在以下问题：虽然超快激光由于其焦点处高能量密度能完成瞬时焊接，但由于通常使用大数值孔径显微物镜聚焦，焦点空间范围小，且光束位置不变，要实现区域焊接通常采用光束固定，精密二维工作台带着待焊接材料移动方式进行焊接，加工速度慢。同时超快激光焊接通常要求待焊接表面达到光学接触，即接触面间距、肉眼观察无干涉条纹存在，较大间隙会导致等离子体溢出造成表面烧蚀或破裂，故此法焊接由于要对表面抛光清洗以达到极高的洁净光滑度，不仅难以实际应用，对大尺寸或异形表面也无能为力，无法实现工程化应用，例如中国专利中对玻璃进行封装时，不仅待封接玻璃表面需要保持很高的水平度，而且玻璃之间的间隙需要小于1μm。同时，焊接前，玻璃样品表面粉尘颗粒尺寸小于1μm。需采用复杂的清洗流程，步骤较为繁琐，效率低。

此外，中国专利提出了利用多激光合束进行玻璃材料的焊接，该方法提高了激光焊接效率，但是存在以下问题：合束焊接时，多束激光的能量在焊缝处会叠加，使得材料瞬时温度过高，产生过大的热应力造成材料断裂，同时高温会使材料产生烧蚀，影响材料焊接效果，因此该种焊接方式无法适用于较高能量的激光束；该方法是在高斯光束条件下进行焊接，其只能实现间隙最大在12μm左右的两种同种材料的焊接，法对具有更大间隙的玻璃进行焊接。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双激光束复合焊接玻璃的方法及装置，利用贝塞尔光束焦深长的性质，可以将焊接过程中有效焊接的聚焦范围增加许多倍，实现具有较大接触间隙的两块透明脆性材料的牢固焊接。同时贝塞尔光束的能量分布范围广，降低了焊接过程中单位体积内的激光的能量密度，避免了因多束激光的能量在焊缝处叠加导致的材料烧蚀、断裂的问题，最终结合扫描振镜对光束的快速动态调控，提高了玻璃焊接的效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种双激光束复合焊接玻璃的方法，包括如下步骤：

将超短脉冲激光束和长脉宽激光束合束至同一个光轴上；

将合束后的复合激光束转换为贝塞尔光束，并通过扫描振镜聚焦到待焊接玻璃表面；所述超短脉冲激光束使焦点附近区域的玻璃熔融，熔融的玻璃吸收长脉冲激光能量，通过吸收能量使其他区域的玻璃材料融化。

进一步，所述超短脉冲激光束的波长范围为266-2000nm，所述超短脉冲激光束的脉宽范围500fs-10ps；所述长脉宽激光束的波长范围为266-2000nm，所述长脉宽激光束的脉宽范围1ns-500ms。

进一步，所述超短脉冲激光束和长脉宽激光束的波长相同，所述超短脉冲激光束和长脉宽激光束的偏振方向不同。

进一步，所述超短脉冲激光束和长脉宽激光束同时聚焦到待焊接玻璃表面，所述超短脉冲激光束持续时间Tf，使玻璃内部形成大量的等离子体；所述长脉宽激光束持续时间Tn，使等离子体吸收长脉宽激光束的能量，用于使玻璃融化；Tn＞＞Tf。

进一步，包括超短脉冲激光光源、第一扩束准直镜、反射镜、长脉宽激光光源、第二扩束准直镜、合束镜、小孔光阑、高斯-贝塞尔转换装置和扫描振镜；

所述超短脉冲激光光源用于产生超短脉冲激光束，所述长脉宽激光光源用于产生长脉宽激光束，所述超短脉冲激光束经过第一扩束准直镜和反射镜射入合束镜；所述长脉宽激光束经过第二扩束准直镜射入合束镜；所述合束镜将超短脉冲激光束和长脉宽激光束合束成复合激光束；所述复合激光束通过小孔光阑、高斯-贝塞尔转换装置和扫描振镜射入待加工工件表面。

进一步，所述合束镜和扫描振镜的波长相同。

进一步，所述高斯-贝塞尔转换装置为轴棱锥透镜，用于将复合激光束转换为贝塞尔光束。

进一步，还包括计算机和同步脉冲控制系统，所述同步脉冲控制系统与超短脉冲激光光源和长脉宽激光光源连接，用于实现超短脉冲激光束和长脉宽激光束的前沿同步；所述计算机与扫描振镜相连接，用于光束的动态调控。

本发明的有益效果在于：

本发明的所述双激光束复合焊接玻璃的方法及装置，利用了超短脉冲激光束超强光强特性，在透明介质内会产生非线性吸收效应使玻璃在焦点附近区域产生大量等离子体，而等离子体对长脉冲激光的具有很强的吸收效应，同时长脉宽激光峰值功率密度较低，增加长脉宽的激光输入能量只会扩大热效应，因而使玻璃材料的熔融量增加，增强了焊缝的强度。同时利用贝塞尔光束焦深长、能量空间分布广的特性，实现了大间隙的玻璃的焊接，也避免了因双光束能量在焊缝处叠加导致的材料出现裂纹、烧蚀的问题。最终结合扫描振镜的光束快速动态调控，实现了高强度、高质量玻璃焊缝的快速加工。

附图说明

图1为本发明所述的双激光束复合焊接玻璃的装置的示意图。

图2为本发明所述的贝塞尔光束和高斯光束的焊接玻璃的示意图。

图3为本发明所述超短脉冲激光束和长脉宽激光束的时序同步示意图。

图4为本发明图1的原理图。

图中：

1-超短脉冲激光光源；2-超短脉冲激光束；3-第一扩束准直镜；4-反射镜；5-长脉宽激光光源；6-长脉宽激光束；7-第二扩束准直镜；8-合束镜；9-复合激光束；10-小孔光阑；11-高斯-贝塞尔转换装置；12-扫描振镜；13-工件；14-工作台；15-计算机；16-同步脉冲控制系统。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的双激光束复合焊接玻璃的方法，包括如下步骤：将超短脉冲激光束2和长脉宽激光束6合束至同一个光轴上；将合束后的复合激光束9转换为贝塞尔光束，并通过扫描振镜12聚焦到待焊接玻璃表面；所述超短脉冲激光束2使焦点附近区域的玻璃熔融，熔融的玻璃吸收长脉冲激光能量，通过吸收能量使其他区域的玻璃材料融化。

所述超短脉冲激光束2的波长范围为266-2000nm，所述超短脉冲激光束2的脉宽范围500fs-10ps；所述长脉宽激光束6的波长范围为266-2000nm，所述长脉宽激光束6的脉宽范围1ns-500ms。所述超短脉冲激光束2和长脉宽激光束6的波长相同，所述超短脉冲激光束2和长脉宽激光束6的偏振方向不同。

如图3所示，所述超短脉冲激光束2和长脉宽激光束6同时聚焦到待焊接玻璃表面，所述超短脉冲激光束2持续时间Tf，使玻璃内部形成大量的等离子体；所述长脉宽激光束6持续时间Tn，使等离子体吸收长脉宽激光束6的能量，用于使玻璃融化；Tn＞＞Tf。

如图1和图4所示，本发明所述的双激光束复合焊接玻璃的装置为能在两块玻璃接触间隙大于12μm时进行多激光束合束焊接的装备。包括超短脉冲激光光源1、第一扩束准直镜3、反射镜4、长脉宽激光光源5、第二扩束准直镜7、合束镜8、小孔光阑9、高斯-贝塞尔转换装置11、扫描振镜12、工控机15、工作台14和同步脉冲控制系统16。

所述超短脉冲激光光源1用于产生超短脉冲激光束2，所述长脉宽激光光源5用于产生长脉宽激光束6，所述超短脉冲激光束2经过第一扩束准直镜3和反射镜4射入合束镜8；所述长脉宽激光束6经过第二扩束准直镜7射入合束镜8；所述合束镜8将超短脉冲激光束2和长脉宽激光束6合束成复合激光束9；所述复合激光束9通过小孔光阑10、高斯-贝塞尔转换装置11和扫描振镜12射入待加工工件13表面。工件13放置在工作台14上。所述高斯-贝塞尔转换装置11为轴棱锥透镜，用于将复合激光束9转换为贝塞尔光束。所述合束镜8和扫描振镜12的波长相同。所述同步脉冲控制系统16与超短脉冲激光光源1和长脉宽激光光源5连接，用于实现超短脉冲激光束2和长脉宽激光束6的前沿同步；所述计算机15与同步脉冲控制系统16、扫描振镜12和工作台14相连接。

工作时，超短脉冲激光光源1输出具有超短脉冲激光束2，经过第一扩束准直镜3扩束准直后，由反射镜4将激光束导入合束镜8，长脉宽激光光源5输出具有长脉宽冲激光束6，经过第二扩束准直镜7扩束准直后，输入合束镜8。超短脉冲激光束2和长脉宽冲激光束6经过合束镜8形成复合激光束9，经过小孔光阑10和高斯-贝塞尔转换装置11将复合激光束9转换为贝塞尔光束并输入扫描振镜12，聚焦到待焊接玻璃工件13上。计算机15控制超短脉冲激光光源1、长脉宽激光光源5、扫描振镜12和工作台15对玻璃实施扫描焊接，脉冲同步控制系统16精确调节纳秒与飞秒脉冲的相对时间使二者脉冲的前沿同步，如图3所示。当超短脉冲激光束2和长脉宽冲激光束6同时到达工件上时，首先，在超短脉冲激光束2持续时间Tf内，超短脉冲激光激发玻璃材料中硅原子的电子，会在玻璃内部形成大量的等离子体。由于长脉宽激光束6持续时间Tn远远大于超短脉冲激光束2持续时间Tf，超短脉冲激光结束后，在一个周期Tp内，长脉宽激光束6将继续辐照玻璃工件13，等离子体将吸收长脉宽激光的能量，进而产生大量的热，使玻璃式样大量融化，最终完成玻璃焊接。

实例一：

超短脉冲激光光源1脉宽500fs、波长1030nm、功率4W，出射超短脉冲激光束2被反射镜4反射，进入合束镜8，长脉宽激光光源5脉宽50ms，波长1030nm、功率20W输出长脉宽激光束6，超短脉冲激光束2与长脉宽激光束6经合束镜8合束形成复合激光束9，经过小孔光阑10和高斯-贝塞尔转换装置11将复合激光束9转换为贝塞尔光束并输入扫描振镜12，振镜扫描速度3000mm/s。两块玻璃之间距离为15μm，贝塞尔光束聚焦在位于两块玻璃的接触位置，利用振镜扫描焊接，获得良好的密封性和强度良好的焊缝。

实例二：

超短脉冲激光光源1脉宽10ps、波长1064nm、功率20W，出射超短脉冲激光束2被反射镜4反射，进入合束镜8，长脉宽激光光源5脉宽100ns，波长1064nm、功率30W输出长脉宽激光束6，超短脉冲激光束2与长脉宽激光束6经合束镜8合束形成复合激光束9，经过小孔光阑10和高斯-贝塞尔转换装置11将复合激光束9转换为贝塞尔光束并输入扫描振镜12，振镜扫描速度3000mm/s。两块玻璃之间距离为18μm，贝塞尔光束聚焦在位于两块玻璃的接触位置，利用振镜扫描焊接，获得良好的密封性和强度良好的焊缝。

实例三：

超短脉冲激光光源1脉宽10ps、波长1064nm、功率25W，出射超短脉冲激光束2被反射镜4反射，进入合束镜8，长脉宽激光光源5脉宽50ms，波长1064nm、功率40W输出长脉宽激光束6，超短脉冲激光束2与长脉宽激光束6经合束镜8合束形成复合激光束9，经过小孔光阑10和高斯-贝塞尔转换装置11将复合激光束9转换为贝塞尔光束并输入扫描振镜12，振镜扫描速度3000mm/s。两块玻璃之间距离为22μm，贝塞尔光束聚焦在位于两块玻璃的接触位置，利用振镜扫描焊接，获得良好的密封性和强度良好的焊缝。

如图2所示，与高斯光束对比，贝塞尔光束的能量分布范围广，具有更长的焦深，适合焊接具有大间隙的玻璃式样。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双激光束复合焊接玻璃的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将超短脉冲激光束(2)和长脉宽激光束(6)合束至同一个光轴上；

将合束后的复合激光束(9)转换为贝塞尔光束，并通过扫描振镜(12)聚焦到待焊接玻璃表面；所述超短脉冲激光束(2)使焦点附近区域的玻璃熔融，熔融的玻璃吸收长脉冲激光能量，通过吸收能量使其他区域的玻璃材料融化。

2.根据权利要求1所述的双激光束复合焊接玻璃的方法，其特征在于，所述超短脉冲激光束(2)的波长范围为266-2000nm，所述超短脉冲激光束(2)的脉宽范围500fs-10ps；所述长脉宽激光束(6)的波长范围为266-2000nm，所述长脉宽激光束(6)的脉宽范围1ns-500ms。

3.根据权利要求1所述的双激光束复合焊接玻璃的方法，其特征在于，所述超短脉冲激光束(2)和长脉宽激光束(6)的波长相同，所述超短脉冲激光束(2)和长脉宽激光束(6)的偏振方向不同。

4.根据权利要求1所述的双激光束复合焊接玻璃的方法，其特征在于，所述超短脉冲激光束(2)和长脉宽激光束(6)同时聚焦到待焊接玻璃表面，所述超短脉冲激光束(2)持续时间Tf，使玻璃内部形成大量的等离子体；所述长脉宽激光束(6)持续时间Tn，使等离子体吸收长脉宽激光束(6)的能量，用于使玻璃融化；Tn＞＞Tf。

5.根据权利要求1-4任一项所述的双激光束复合焊接玻璃的方法的装置，其特征在于，包括超短脉冲激光光源(1)、第一扩束准直镜(3)、反射镜(4)、长脉宽激光光源(5)、第二扩束准直镜(7)、合束镜(8)、小孔光阑(10)、高斯-贝塞尔转换装置(11)和扫描振镜(12)；

所述超短脉冲激光光源(1)用于产生超短脉冲激光束(2)，所述长脉宽激光光源(5)用于产生长脉宽激光束(6)，所述超短脉冲激光束(2)经过第一扩束准直镜(3)和反射镜(4)射入合束镜(8)；所述长脉宽激光束(6)经过第二扩束准直镜(7)射入合束镜(8)；所述合束镜(8)将超短脉冲激光束(2)和长脉宽激光束(6)合束成复合激光束(9)；所述复合激光束(9)通过小孔光阑(10)、高斯-贝塞尔转换装置(11)和扫描振镜(12)射入待加工工件表面。

6.根据权利要求5所述的双激光束复合焊接玻璃的方法的装置，其特征在于，所述合束镜(8)和扫描振镜(12)的波长相同。

7.根据权利要求5所述的双激光束复合焊接玻璃的方法的装置，其特征在于，所述高斯-贝塞尔转换装置(11)为轴棱锥透镜，用于将复合激光束(9)转换为贝塞尔光束。

8.根据权利要求5所述的双激光束复合焊接玻璃的方法的装置，其特征在于，还包括计算机(15)和同步脉冲控制系统(16)，所述同步脉冲控制系统(16)与超短脉冲激光光源(1)和长脉宽激光光源(5)连接，用于实现超短脉冲激光束(2)和长脉宽激光束(6)的前沿同步；所述计算机(15)与扫描振镜(12)相连接，用于光束的动态调控。

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