CN112975162A - 一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置及方法，沿激光光束传播路径依次包括：激光器、扩束镜、自适应光学系统、激光切割头和加工平台，所述加工平台上固定有待切割的毛玻璃工件；所述自适应光学系统包括波前探测器、波前控制器和波前校正器，所述波前探测器用于实时检测待切割毛玻璃的表面形貌，并将检测到的表面形貌实时反馈至波前控制器，所述波前控制器根据表面形貌数据控制波前校正器对激光束的相位进行调整。本发明利用不断变化的波前校正量来补偿不断变化的动态波前误差，使得本发明的切割装置在切割过程中可以自动适应毛玻璃表面的形貌变化，调整工作状态和参数，克服动态波前相位畸变导致的聚焦光斑弥散，提高激光能量集中度。

Description

一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置及方法

技术领域

本发明属于激光切割技术领域，具体涉及一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置及方法。

背景技术

玻璃是工业和生活中常见的材料，在玻璃生产中，切割是最常见的一种加工应用，在某些行业如3C，对玻璃切割的要求越来越高。

传统激光切割玻璃方式一是用波长10.6um的CO₂激光器，玻璃对该波段光有强烈吸收，高功率的激光使得玻璃在激光的焦点位置受热发生断裂，裂缝向玻璃的上下表面延伸从而完成切割。在受热切割的过程中，通常需要使用淬火嘴将冷水或冷气喷射到切割道上，使玻璃裂开。这种方法切割精度较低，同时难以加工复杂图形。二是使用波长为532nm的纳秒短脉宽绿光激光器，输出的绿光经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到透明玻璃的待加工位置，使玻璃发生微米量级的爆破，通过扫描振镜移动焦点的位置，使爆破点在所需加工的区域叠加从而实现加工。但这两种切割方法得到的边缘质量较差，无法满足3C行业越来越高的要求。

通常情况，激光适用于切割表面平滑、透光性好的玻璃，如果材料上表面有花纹、凹坑等微结构，激光照射在上表面时发生散射、衍射、或不同方向的折射后，光束在材料内的传播出现弥散现象，有效能量密度将严重下降，以致无法实现加工。

为了解决上述问题，公开号为CN109759727A的中国专利公开了一种毛玻璃的激光切割方法及系统，通过在毛玻璃的两侧涂透明液体，再在毛玻璃的两侧贴透明玻璃，得到待加工玻璃，对待加工玻璃进行切割及裂片处理，得到成品。本发明的有益效果在于：该方法在待加工玻璃上下表面涂一层透明液体，然后用两片透明玻璃压紧，去除内部气泡，这样透光性很差的毛化玻璃就变透明，激光很容易穿透，再用Bessel光束对玻璃进行切割，在玻璃表面形成有一定间距直径约2um的孔洞，孔洞与孔洞之间生成裂纹，再通过扫描振镜将CO₂激光射到切割位置，使孔洞与孔洞之间的裂纹受热开裂，最后获得所需产品，该方法可以解决现有激光切割方法表面散射以及切割质量较差的问题，同时具备很高的加工效率。

该专利虽然可以提高毛玻璃切割的质量，但是其切割工艺复杂，需要将毛玻璃两侧涂透明液体并贴透明玻璃，加工过程中，毛玻璃与透明玻璃固定不易固定，且毛玻璃与透明玻璃之间容易产生气泡，从而降低了激光切割精度。

自适应光学（Adaptive optics，缩写为AO）是一项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能的技术。自适应光学的概念和原理最早是在1953年由海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克（Horace Babcock）提出的，但是超越了当时的技术水平所能达到的极限，只有美国军方在星球大战计划中秘密研发这项技术。冷战结束后，1991年5月，美国军方将自适应光学的研究资料解密，计算机和光学技术也足够发达，自适应光学技术才得以广泛应用。配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响，将空间分辨率显著提高大约一个数量级，达到或接近其理论上的衍射极限。第一台安装自适应光学系统的大型天文望远镜是欧洲南方天文台在智利建造的3.6米口径的新技术望远镜。目前越来越多的大型地面光学/红外望远镜都安装了这一系统，比如位于夏威夷莫纳克亚山的8米口径双子望远镜、3.6米口径的加拿大-法国-夏威夷望远镜、10米口径的凯克望远镜、8米口径的日本昴星团望远镜等等。自适应光学已经逐步成为各大天文台所广泛使用的技术，并为下一代更大口径的望远镜的建造开辟了道路。

自适应光学技术目前仅在天文观测领域得到了应用，因此，亟需提出一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置及方法，将自适应光学技术应用到毛玻璃切割领域，以消除毛玻璃表面不平整造成的波前相位畸变问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，沿激光光束传播路径依次包括：激光器、扩束镜、自适应光学系统、激光切割头和加工平台，所述加工平台上固定有待切割的毛玻璃工件；所述自适应光学系统包括波前探测器、波前控制器和波前校正器，所述波前探测器用于实时检测待切割毛玻璃的表面形貌，并将检测到的表面形貌数据实时反馈至波前控制器，所述波前控制器根据表面形貌数据控制波前校正器对激光束的相位进行调整。

具体地，所述波前探测器检测待切割毛玻璃表面形貌的方法为：通过测量毛玻璃表面的波前斜率来获得波前相位信息，利用得到的波前上多个点的斜率，根据波前重构的方法得到整个波前的相位分布。波前探测器将检测到的毛玻璃的波前相位数据传递给波前控制器，经过波前控制器的分析后的数据会反馈给波前校正器，波前校正器根据数据实时的调控波前相位，实现光学相位的调制。

具体地，所述激光器采用脉宽为5～15ps的皮秒激光器，所述激光器的激光波长为红外波长。

具体地，所述激光切割头为贝塞尔切割头，所述贝塞尔切割头将激光束转换为贝塞尔光束进行匀化处理，并对光束进行聚焦后形成在工件厚度上能量密度均匀分布的加工激光输出。

具体地，所述加工平台为三维位移运动平台，用于调切割过程中工件的待加工区域。

具体地，所述加工平台上设有夹具，用于将待切割的毛玻璃工件固定在加工平台上。

与上述切割装置相对应的，本发明还公开了一种基于自适应光学的毛玻璃切割方法，包括以下步骤：

S1，将待切割的毛玻璃工件固定在加工平台上；

S2，开启激光器、自适应光学系统和激光切割头，调整激光光路，使激光切割头出射的激光束垂直于待切割工件表面；

S3，将激光焦点调节到待切割工件表面；

S4，在切割过程中，通过自适应光学系统实时检测工件的表面形貌，并根据所述表面形貌数据实时调整激光的相位；

S5，切割完成后，采用裂片装置对切割完的工件进行裂片处理。

具体地，步骤S3中，调节激光焦点位置的标准为：使激光束在工件正面和背面的光斑大小一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在传统激光切割的基础上，通过波前探测器实时检测待切割毛玻璃的表面形貌数据，并将检测到的数据实时反馈至波前控制器，波前控制器根据表面形貌数据控制波前校正器对激光束的相位进行调制，完成自适应光学加工，实时检测实时补偿，用不断变化的波前校正量来补偿不断变化的动态播前误差，保证磨砂面均能切透，使得加工过程与需求灵活可控，达到有效切割毛玻璃的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中自适应光学系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中波前探测器的探测光路图；

图4为本发明实施例中毛玻璃切割后的显微镜测试入射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图5为本发明实施例中毛玻璃切割后的显微镜测试出射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图6为本发明实施例中毛玻璃切割裂片后的显微镜测试入射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图7为本发明实施例中毛玻璃切割裂片后的显微镜测试出射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图8为本发明实施例中毛玻璃切割裂片后的显微镜测试断面图，其中，（a）为放大50倍的效果图，（b）为放大100倍的效果图；

图中：1、激光器；2、激光束；3、扩束镜；4、反射镜；5、自适应光学系统；6、激光切割头；7、工件；8、加工平台；9、波前探测器；10、计算机；11、波前控制器；12、波前校正器；13、分光器件。

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、2所示，本实施例提供了一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，沿激光光束传播路径依次包括：激光器1、扩束镜3、反射镜4、自适应光学系统5、激光切割头6和加工平台8，所述加工平台8上固定有待切割的毛玻璃工件7；所述自适应光学系统5包括波前探测器9（如面形仪）、计算机10、波前控制器11和波前校正器12，所述波前探测器9用于实时检测待切割毛玻璃的表面形貌，计算机10对波前探测器9检测到的数据进行处理，得到毛玻璃表面的波前斜率，并将当前检测位置的波前斜率数据实时反馈至波前控制器11，所述波前控制器11根据当前检测位置的波前斜率数据控制波前校正器12对激光束2的相位进行调整。

具体地，所述波前探测器9检测待切割毛玻璃表面形貌的方法为：通过测量毛玻璃表面的波前斜率来获得波前相位信息，利用得到的波前上多个点的斜率，根据波前重构的方法得到整个波前的相位分布。波前探测器9将检测到的毛玻璃的波前相位数据传递给波前控制器11，经过波前控制器11的分析后的数据会反馈给波前校正器12，波前校正器12根据数据实时的调控波前相位，实现光学相位的调制。

波前探测器9获取毛玻璃表面波前斜率的原理为：毛玻璃的每个表面划分到一个小区域就相当于一个小的透镜，每个位置的小的透镜都有一个质心位置，波前探测器9发出的探测光信号到达毛玻璃表面时会形成一个波阵面（波阵面上各个点的振动相位一致），由于毛玻璃的表面是凹凸不平的，会导致探测光在毛玻璃表面各个点的振动相位不一致，毛玻璃表面每个“小透镜”的质心偏离标准面（波阵面）的值为

，

，毛玻璃表面每个“小透镜”的质心位置相对波前探测器9的距离为

，每个质心位置的斜率就是

，

，其中，

代表的是毛玻璃表面的探测位置。

本实施例中的波前探测器9具有和激光同轴的视觉检测系统，通过同轴的视觉检测系统自带的光源器件发出的探测光在毛玻璃工件7上下表面反射后被波前探测器9接收，从而根据反射回来的光信号得到毛玻璃表面的波前斜率。如图3所示，所述同轴的视觉检测系统包括分光器件13，探测光透过分光器件13的正面后照到毛玻璃工件7上，分别在毛玻璃工件7的上下表面反射后，再经过分光器件13的背面反射到波前探测器9上被波前探测器9接收。

本发明利用波前误差传感器（即波前探测器9）测量不断变化的波前误差（即由于毛玻璃表面形貌导致的波前相位畸变），利用波前控制器11控制波前校正器12对波前误差进行补偿校正，只要这一过程够快（一般是小于2ms），就可以用不断变化的波前校正量来补偿不断变化的动态波前误差，使得本发明的切割装置在切割过程中可以自动适应毛玻璃表面的形貌变化，调整工作状态和参数，克服动态波前相位畸变导致的聚焦光斑弥散，提高激光能量集中度。

具体地，所述激光器1采用脉宽为5～15ps的皮秒激光器1，所述激光器1的激光波长为红外波长。

具体地，所述激光切割头6为贝塞尔切割头，所述贝塞尔切割头将激光束2转换为贝塞尔光束进行匀化处理，并对光束进行聚焦后形成在工件7厚度上能量密度均匀分布的加工激光输出，贝塞尔切割头输出的激光具有一定焦深，该焦深大于或等于工件7厚度，贯穿整个工件7厚度，当工件7在厚度方向上处于焦深范围内时，工件7正面和背面的光斑大小一致。

具体地，本实施例中，所述加工平台8采用具有可编程控制X、Y、Z轴移动速度与距离的运动控制平台，用于调切割过程中X、Y、Z轴路径规划。

具体地，所述加工平台8上设有夹具，用于将待切割的毛玻璃工件7固定在加工平台8上；本实施例中，所述夹具为吸气夹具（如真空吸盘等）。

与上述切割装置相对应的，本发明还公开了一种基于自适应光学的毛玻璃切割方法，包括以下步骤：

S1，将待切割的毛玻璃工件7固定在加工平台8上，调整加工平台8使工件7位于待加工区域；

S2，开启激光器1、自适应光学系统5和激光切割头6，调整激光光路，使激光切割头6出射的激光束2垂直于待切割工件7表面；

S3，利用光束分析仪进行调光和焦点位置确认，并记录焦点位置，将激光焦点位置调节到待切割工件7表面；

S4，在切割过程中，采用CCD相机进行待加工区域定位，通过自适应光学系统5实时检测工件7的表面形貌，并根据所述表面形貌数据实时调整激光的相位；

S5，切割完成后，采用裂片装置对切割完的工件7进行裂片处理。

S6，开启除尘装置，确保除尘口的位置不遮挡光路，可顺利吸去加工过程中产生的粉尘。

具体地，步骤S3中，调节激光焦点位置，使激光切割头6出射的激光束2在工件7正面和背面的光斑大小一致。

具体地，步骤S4中，通过激光控制系统设定所需加工图档，为了达到本发明的技术效果，加工图档为圆角矩形，其中，所述矩形尺寸大小为90*90mm。

本实施例中，激光器1的参数设置为：功率为13.4W，频率为200K，单脉冲能量为67μJ，3 burst，脉冲串为1，点间距为5.5μm，速度为100mm/s。

本实施例中，采用基于自适应光学的毛玻璃切割装置切割毛玻璃的效果如下图所示：

图4为本实施例中毛玻璃切割后的显微镜测试入射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图5为本实施例中毛玻璃切割后的显微镜测试出射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图6为本实施例中毛玻璃切割裂片后的显微镜测试入射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图7为本实施例中毛玻璃切割裂片后的显微镜测试出射光面图，其中，（a）为放大200倍的效果图，（b）为放大500倍的效果图；

图8为实施例中毛玻璃切割裂片后的显微镜测试断面图，其中，（a）为放大50倍的效果图，（b）为放大100倍的效果图；

从上述图4至图8可以看出，采用本发明的基于自适应光学的毛玻璃切割方法对毛玻璃进行切割，其断面整齐，基本无瑕疵，大大改善了毛玻璃切割的质量。

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 (8)

1.一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，其特征在于，沿激光光束传播路径依次包括：激光器、扩束镜、自适应光学系统、激光切割头和加工平台，所述加工平台上固定有待切割的毛玻璃工件；所述自适应光学系统包括波前探测器、波前控制器和波前校正器，所述波前探测器用于实时检测待切割毛玻璃的表面形貌，并将检测到的表面形貌数据实时反馈至波前控制器，所述波前控制器根据表面形貌数据控制波前校正器对激光的相位进行调制。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，其特征在于，所述波前探测器检测待切割毛玻璃表面形貌的方法为：通过测量毛玻璃表面的波前斜率来获得波前相位信息，利用得到的波前上多个点的斜率，根据波前重构的方法得到整个波前的相位分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，其特征在于，所述激光器采用脉宽为5～15ps的皮秒激光器。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，其特征在于，所述激光切割头为贝塞尔切割头。

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，其特征在于，所述加工平台为三维位移运动平台。

6.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的毛玻璃切割装置，其特征在于，所述加工平台上设有夹具，用于将待切割的毛玻璃工件固定在加工平台上。

7.一种基于自适应光学的毛玻璃切割方法，基于权利要求1至6任一项所述的切割装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将待切割的毛玻璃工件固定在加工平台上；

S2，开启激光器、自适应光学系统和激光切割头，调整激光光路，使激光切割头出射的激光束垂直于待切割工件表面；

S3，将激光焦点调节到待切割工件表面；

S4，在切割过程中，通过自适应光学系统实时检测工件的表面形貌，并根据所述表面形貌数据实时调整激光的相位；

S5，切割完成后，采用裂片装置对切割完的工件进行裂片处理。

8.根据权利要求7所述的一种基于自适应光学的毛玻璃切割方法，其特征在于，步骤S3中，调节激光焦点位置，使激光切割头出射的激光束在工件正面和背面的光斑大小一致。

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