CN113333965A - 一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，通过对皮秒高斯激光进行空间整形获得贝塞尔光束，通过高重频皮秒激光器内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、高重频皮秒激光器的脉冲串模式调节子脉冲个数，三维工作台调整贝塞尔光束在石英玻璃片样品内部的聚焦位置，皮秒激光贝塞尔光束在石英玻璃片样品表面切割路径形成微孔阵列，然后通过施加外应力实现石英玻璃片样品高质高效隐形切割；本发明能够对500μm厚石英玻璃材料实现单次扫描高质量隐形切割，切割断面粗糙度小于0.8μm，几乎无崩边；操作简单，实现了石英玻璃因隐形切割加工效率和加工质量的同步提升。

Description

一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法
技术领域
本发明属于超快激光微加工技术领域，特别涉及一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法。
背景技术
随着航空、航天、计算机、微电子等领域的飞速发展，对材料加工提出了更高的要求，超快秒激光作为一种先进的加工技术，具有极高的峰值功率和极短的脉宽，且能实现相对意义上的“冷”加工，对周围材料影响极小，加工精度极高，备受加工制造领域关注，超快激光切割技术现已成为工业应用领域的热门加工技术之一。传统的高斯激光在时间和空间尺度都呈高斯分布，其瑞利长度较短，由材料去除的烧蚀阈值理论可知，采用高斯激光进行材料切割时，单次切割深度较小，为实现玻璃的完全切透，需要采用多次扫描的方法，加工效率较低。
贝塞尔光束又称“无衍射光束”，其横向光场分布不随光束的传播而变化，主瓣直径可小到几微米，但焦深可达几毫米，因此近年来贝塞尔光束成为透明材料加工领域的研究热点。在石英玻璃基底的芯片制造领域，往往在芯片制造完成后需要对其进行切割分离，但同时不希望加工影响芯片所在的玻璃表面完整性，且对芯片所在玻璃表面的清洁度要求很高，要求无粉尘，因此，玻璃隐形切割工艺应运而生。传统石英玻璃隐形切割工艺往往采用高斯激光通过高数值孔径物镜聚焦形成小半径光斑在材料内部厚度方向多次扫描改性然后在外应力的作用下裂片，这种方法加工效率很低，且对加工设备精度要求很高。采用多焦点透镜的方式对玻璃材料进行激光处理然后裂片的方法可以一定程度提高加工效率，但是其对设备安装调试提出了很高的技术要求且灵活性较差，需要根据玻璃厚度改变焦点个数及间距，影响其广泛应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，能够对500μm厚石英玻璃材料实现单次扫描高质量隐形切割，切割断面粗糙度小于0.8μm，几乎无崩边；操作简单，实现了石英玻璃隐形切割加工效率和加工质量的同步提升。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，通过对皮秒高斯激光进行空间整形获得贝塞尔光束，通过高重频皮秒激光器1内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、高重频皮秒激光器1的脉冲串模式调节子脉冲个数，三维工作台9调整贝塞尔光束在石英玻璃片样品10内部的聚焦位置，皮秒激光贝塞尔光束在石英玻璃片样品10表面切割路径形成微孔阵列，然后通过施加外应力实现石英玻璃片样品10高质高效隐形切割。
一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，包括以下步骤：
1)对500μm厚的石英玻璃样品表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥的空气吹干得到干净的石英玻璃片样品10；
2)搭建光路，光路包括高重频皮秒激光器1，高重频皮秒激光器1输出光经过第一反射镜2使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜3、扩束镜4、锥透镜5、平凸透镜6、二向色镜7、物镜8垂直照射在三维工作台9的加工工位上，CCD12通过二向色镜7用以观察贝塞尔光束加工的正面图像，高重频皮秒激光器1、三维工作台9和电脑11连接；
3)利用电脑11调节高重频皮秒激光器1输出激光，激光波长为1064nm，脉宽为10ps，重复频率为100-1000KHz，最大功率20W，最大单脉冲能量为200μJ；
4)将干净的石英玻璃样品10固定在三维工作台9的加工工位上；
5)通过激光划线方式对石英玻璃样品10进行切割，调节激光输出功率百分比从而使能量密度达到石英玻璃样品10的光学损伤阈值以上；通过高重频皮秒激光器1内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、通过高重频皮秒激光器1的脉冲串模式调整脉冲串子脉冲个数，通过调整三维工作台9调整贝塞尔光束在石英玻璃样品10内部的聚焦位置，从而获得激光切割薄石英玻璃的最优基本参数：激光输出功率百分比70％-80％，脉冲打孔间距4μm，脉冲串子脉冲个数2，离焦量为-550--520μm；
6)激光加工后的玻璃样品，利用扩片机按照切割路径方向对石英玻璃样品10施加外应力，从而将石英玻璃样品10沿切割线进行裂片。
所述的三维工作台9用于放置代加工的石英玻璃样品10，还用于以预设的运动速度控制待加工石英玻璃样品10相对贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，待分离玻璃具有若干个穿孔形成的穿孔线轮廓，待分离玻璃用于以预置的分离方式沿穿孔线轮廓进行分离。
所述的预置的分离方式是通过外应力的方式将带分离的切割样片分开，包括机械应力和热应力两种方式。
所述的贝塞尔光束是通过锥透镜对高斯光束经过空间整形而得。
本发明具有如下的有益效果：
本发明提供了一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，包括采用高重频超快皮秒激光结合三维工作台作为切割加工平台，高重频皮秒激光经过光束空间整形形成贝塞尔光束聚焦在玻璃材料内部，通过调整激光功率在玻璃材料内部形成规则的微孔阵列，通过优化微孔间距，脉冲串脉冲个数，激光聚焦位置，通过三维工作台沿预设的切割轨迹相对运动，实现了石英玻璃的预分离，最后通过外应力的方法实现了玻璃的隐形切割。
贝塞尔光束是对高斯光束采用锥透镜进行空间整形而得，其无衍射长度较大，中心主瓣直径和无衍射传输距离分别为微米和毫米量级，克服了高斯光束需要多次扫描才能实现隐形切割激光预分离过程以及多焦点光路不易灵活调节，调试过程复杂的劣势；同时采用了皮秒激光器同步输出功能和脉冲串模式可以灵活调节切割工艺参数，通过对皮秒激光加工参数以及光束聚焦位置的优化，实现了石英玻璃的高质高效隐形切割。
附图说明
图1为本发明切割石英玻璃原理示意图。
图2为本发明光路的示意图。
图3为本发明实施例1切割石英玻璃效果图。
图4为本发明实施例2切割石英玻璃效果图。
图5为本发明实施例3切割石英玻璃效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，通过对皮秒高斯激光进行空间整形获得贝塞尔光束，通过高重频皮秒激光器1内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、高重频皮秒激光器1的脉冲串模式调节子脉冲个数，三维工作台9调整贝塞尔光束在石英玻璃片样品10内部的聚焦位置，皮秒激光贝塞尔光束在石英玻璃片样品10表面切割路径形成微孔阵列，然后通过施加外应力实现石英玻璃片样品10高质高效隐形切割。
实施例1，一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，包括以下步骤：
1)选取面积为20×20mm2，厚度为500μm的石英玻璃样品，其表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥空气吹干得到干净的石英玻璃样品10；
2)搭建光路，参照图2，光路包括高重频皮秒激光器1，高重频皮秒激光器1输出光经过第一反射镜2使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜3、扩束镜4、锥透镜5、平凸透镜6、二向色镜7、物镜8垂直照射在三维工作台9的加工工位上，CCD12通过二向色镜7用以观察贝塞尔光束加工的正面图像，高重频皮秒激光器1、三维工作台9和电脑11连接；
3)利用电脑11调节高重频皮秒激光器1输出激光，激光波长为1064nm，脉宽为10ps，重复频率为100-1000KHz，最大功率20W，最大单脉冲能量为200μJ；
4)将步骤1)制备的干净的石英玻璃样品10固定在三维工作台9的加工工位上；
5)通过激光划线方式对石英玻璃样品10进行切割，调节激光输出功率百分比从而使能量密度达到石英玻璃样品10的光学损伤阈值以上；通过高重频皮秒激光器1内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、通过高重频皮秒激光器1的脉冲串模式调整脉冲串子脉冲个数，通过调整三维工作台9调整贝塞尔光束在石英玻璃样品10内部的聚焦位置，进而获得基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割加工，获得加工参数组合：激光输出功率百分比70％，脉冲打孔间距4μm，脉冲串子脉冲个数2，离焦量-550μm；
6)激光加工后的玻璃样品，利用扩片机按照切割路径方向对石英玻璃样品10施加机械应力，从而将石英玻璃样品10沿切割线进行裂片。
本实施例的有益效果为：参照图3，本实施例可得到断面粗糙度为0.38μm，边缘无崩边的切割样品，切割速度达到50mm/s，实现了石英玻璃样品的高质隐形切割，适用于石英玻璃高速高质量隐形切割的应用场景；且由于其实现了石英玻璃隐形切割激光加工过程的一次成型，所以其加工表面质量好；采用此实施例可以在既满足石英玻璃切割工艺要求的同时容易满足装配要求，在MEMS、微芯片等领域有广阔应用前景。
实施例2，将实施例1步骤5)加工参数组合改为：激光输出功率百分比75％，脉冲打孔间距4μm，脉冲串子脉冲个数2，离焦量-530μm；其加工效果参照图4所示，得到断面粗糙度为0.68μm、边缘无崩边的切割样品，切割速度达到50mm/s，切割样品通过后续的机械应力将其裂开。
本实施例的有益效果为：参照图4，本实施例得到的石英玻璃切割样品较实施例1同样实现石英玻璃的隐形切割，断面粗糙度和边缘崩边基本没有变化，但是在玻璃厚度方向上加工区域有所增加，未加工区域有所减少，切割速度基本保持不变，实施例2相比于实施例1由于激光为加工区域的减少机械强度有所降低，但是由于加工区域的增大，切割断面均匀性有所增加，装配性能更优，适合应用于航空航天领域石英摆片加速度计等特种电子制造领域。
实施例3，将实施例1步骤5)加工参数组合改为：激光输出功率百分比80％，脉冲打孔间距4μm，脉冲串子脉冲个数2，离焦量-520μm；其加工效果参照图5所示，得到断面粗糙度为0.79μm、边缘几乎无崩边的切割样品，切割速度达到50mm/s，切割样品通过后续的机械应力将其裂开。
本实施例的有益效果为：参照图5，本实施例得到的石英玻璃切割样品较实施例1激光加工区域都有所增加，贝塞尔光束已经达到了实现石英玻璃隐形切割的临界聚焦位置。此实施例石英玻璃切割样品断面粗糙度有所增大，边缘几乎无崩边，切割速度基本保持不变。实施例3相比于实施例1由于激光加工区域的增加切割断面均匀性有所增加，装配性能有所提升，同时在需要后处理如酸洗的场合，断面均匀激光处理可以为后处理提供工艺基础。但是激光加工区域的增加导致机械强度一定程度的下降，适用于对机械强度要求一般但对断面均匀性要求较高的石英玻璃隐形切割领域。

Claims (6)

1.一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，其特征在于：通过对皮秒高斯激光进行空间整形获得贝塞尔光束，通过高重频皮秒激光器(1)内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、高重频皮秒激光器(1)的脉冲串模式调节子脉冲个数，三维工作台(9)调整贝塞尔光束在石英玻璃片样品(10)内部的聚焦位置，皮秒激光贝塞尔光束在石英玻璃片样品(10)表面切割路径形成微孔阵列，然后通过施加外应力实现石英玻璃片样品(10)高质高效隐形切割。
2.一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对500μm厚的石英玻璃样品表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥的空气吹干得到干净的石英玻璃片样品(10)；
2)搭建光路，光路包括高重频皮秒激光器(1)，高重频皮秒激光器(1)输出光经过第一反射镜(2)使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜(3)、扩束镜(4)、锥透镜(5)、平凸透镜(6)、二向色镜(7)、物镜(8)垂直照射在三维工作台(9)的加工工位上，CCD(12)通过二向色镜(7)用以观察贝塞尔光束加工的正面图像，高重频皮秒激光器(1)、三维工作台(9)和电脑(11)连接；
3)利用电脑(11)调节高重频皮秒激光器(1)输出激光，激光波长为1064nm，脉宽为10ps，重复频率为100-1000KHz，最大功率20W，最大单脉冲能量为200μJ；
4)将干净的石英玻璃样品(10)固定在三维工作台(9)的加工工位上；
5)通过激光划线方式对石英玻璃样品(10)进行切割，调节激光输出功率百分比从而使能量密度达到石英玻璃样品(10)的光学损伤阈值以上；通过高重频皮秒激光器(1)内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、通过高重频皮秒激光器(1)的脉冲串模式调整脉冲串子脉冲个数，通过调整三维工作台(9)调整贝塞尔光束在石英玻璃样品(10)内部的聚焦位置，从而获得激光切割薄石英玻璃的最优基本参数：激光输出功率百分比70％-80％，脉冲打孔间距4μm，脉冲串子脉冲个数2，离焦量-550--520μm；
6)激光加工后的玻璃样品，利用扩片机按照切割路径方向对石英玻璃样品(10)施加外应力，从而将石英玻璃样品(10)沿切割线进行裂片。
3.根据权利要求2所述的一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，其特征在于，所述的三维工作台(9)用于放置代加工的石英玻璃样品(10)，还用于以预设的运动速度控制待加工石英玻璃样品(10)相对贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，待分离玻璃具有若干个穿孔形成的穿孔线轮廓，待分离玻璃用于以预置的分离方式沿穿孔线轮廓进行分离。
4.根据权利要求3所述的一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，其特征在于：所述的预置的分离方式是通过外应力的方式将带分离的切割样片分开，包括机械应力和热应力两种方式。
5.根据权利要求2所述的一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，其特征在于，所述的贝塞尔光束是通过锥透镜对高斯光束经过空间整形而得。
6.根据权利要求2所述的一种基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取面积为20×20mm2，厚度为500μm的石英玻璃样品，其表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥空气吹干得到干净的石英玻璃样品(10)；
2)搭建光路，光路包括高重频皮秒激光器(1)，高重频皮秒激光器(1)输出光经过第一反射镜(2)使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜(3)、扩束镜(4)、锥透镜(5)、平凸透镜(6)、二向色镜(7)、物镜(8)垂直照射在三维工作台(9)的加工工位上，CCD(12)通过二向色镜(7)用以观察贝塞尔光束加工的正面图像，高重频皮秒激光器(1)、三维工作台(9)和电脑(11)连接；
3)利用电脑(11)调节高重频皮秒激光器(1)输出激光，激光波长为1064nm，脉宽为10ps，重复频率为100-1000KHz，最大功率20W，最大单脉冲能量为200μJ；
4)将步骤1)制备的干净的石英玻璃样品(10)固定在三维工作台(9)的加工工位上；
5)通过激光划线方式对石英玻璃样品(10)进行切割，调节激光输出功率百分比从而使能量密度达到石英玻璃样品(10)的光学损伤阈值以上；通过高重频皮秒激光器(1)内置的同步输出功能调整脉冲打孔间距、通过高重频皮秒激光器(1)的脉冲串模式调整脉冲串子脉冲个数，通过调整三维工作台(9)调整贝塞尔光束在石英玻璃样品(10)内部的聚焦位置，进而获得基于贝塞尔光束的石英玻璃隐形切割加工，获得加工参数组合：激光输出功率百分比70％，脉冲打孔间距4μm，脉冲串子脉冲个数2，离焦量-550μm；
6)激光加工后的玻璃样品，利用扩片机按照切割路径方向对石英玻璃样品(10)施加机械应力，从而将石英玻璃样品(10)沿切割线进行裂片。
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