CN114083144A - 用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法及装置 - Google Patents

用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法及装置，其包括如下步骤；至少两束贝塞尔光束；对至少一束贝塞尔光束进行分束调制，使其分布在主光轴两侧的光束的光强不等；经分束调制的贝塞尔光束形成无衍射光学区域，且该无衍射光学区域的光轴与主光轴之间的距离不为0；将经分束调制的贝塞尔光束与至少一束其他的贝塞尔光束进行叠加，使得至少两束贝塞尔光束形成的无衍射光学区域部分重叠/完全不重叠，以实现对待加工材料切割轨迹宽度的控制。本发明通过叠加两束贝塞尔光束来实现切割轨迹的展宽，由此扩大贝塞尔切割法的应用范围。

Description

用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法及装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法及装置。
背景技术
近年来，随着光电子产业的飞速发展，对玻璃、蓝宝石等透明脆性材料的需求急剧提升，传统的机械切割法已逐渐无法满足工程应用需求，因此出现了利用激光技术进行透明脆性材料加工的技术。
例如，贝塞尔切割法是一种专门针对透明脆性材料开发的激光切割技术，其能够在保证高质量的切割面的前提下具有较高的切割效率，且工艺流程简单、操作便捷。
贝塞尔切割头的工作原理如图1所示，其中贝塞尔光束L形成焦深段S’。在其进行透明脆性材料进行切割时，切割轨迹的宽度约为聚焦光斑的直径大小，但由于贝塞尔光束的光斑直径普遍较小，因此其形成的切割轨迹宽度较窄，对于较厚的材料而言不易裂片，尤其是在保证焦深和加工材料均不变的情况下，很难调整切割轨迹宽度，因此无法适用于厚度较大的透明脆性材料的切割加工，导致其适用范围有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法及装置，其通过叠加两束贝塞尔光束来实现切割轨迹的展宽，由此扩大贝塞尔切割法的应用范围。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一方面，提供一种用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法，其包括如下步骤；
至少两束贝塞尔光束；
对至少一束贝塞尔光束进行分束调制，使其分布在主光轴两侧的光束的光强不等；
经分束调制的贝塞尔光束形成无衍射光学区域，且该无衍射光学区域的光轴与主光轴之间的距离不为0；
将经分束调制的贝塞尔光束与至少一束其他的贝塞尔光束进行叠加，使得至少两束贝塞尔光束形成的无衍射光学区域部分重叠/完全不重叠，以实现对待加工材料切割轨迹宽度的控制。
优选的，经分束调制的贝塞尔光束形成的无衍射光学区域的光轴与主光轴平行。
优选的，经分束调制的贝塞尔光束形成的无衍射光学区域与主光轴之间形成夹角。
优选的，通过衍射光学元件对贝塞尔光束进行分束调制，将其分成分别位于主光轴两侧的第一光束和第二光束，且第一光束和第二光束光强分布不等。
优选的，经分束调制的贝塞尔光束经过相干光学信息处理系统后射出，以形成无衍射光学区域。
还提供一种用于实现上述方法的装置，其包括：
激光器，其用于产生并输出至少两束贝塞尔光束；
扩束镜，其用于用于调整激光光斑尺寸及发散角；
衍射光学元件，其用于对至少一束经扩束镜射出的贝塞尔光束进行分束，使其分布在主光轴两侧的光束的光强不等，使得经衍射光学元件调制后，主光轴两侧的光束与主光轴之间对应形成的夹角相同/不同；
相干光学信息处理系统，其用于使经分束调制的贝塞尔光束形成无衍射光学区域，以及使该经分束调制的贝塞尔光束与至少一束其他的贝塞尔光束进行叠加，使得至少两束贝塞尔光束形成的无衍射光学区域部分重叠/完全不重叠，以实现对待加工材料切割轨迹宽度的控制。
优选的，所述衍射光学元件的参数配置可调。
优选的，所述衍射光学元件的参数配置使贝塞尔光束通过衍射光学元件后为多个高斯或者平顶光叠加的光强分布。
优选的，所述待加工材料包括透明脆性材料。
优选的，所述相干光学信息处理系统包括4F系统。
本发明至少具备以下有益效果：
本发明通过调整衍射光学元件的配置参数控制贝塞尔光束的光强分布，使得最终形成的无衍射光学区域的光轴相对主光轴产生偏移，由此使得当两束贝塞尔光束进行叠加时调节贝塞尔光束对待加工材料进行切割时的切割轨迹宽度，同时还可通过调整衍射光学元件的配置参数使得贝塞尔光束最终形成的无衍射光学区域与待加工材料之间形成夹角，以此进一步扩大适用范围，满足不同的切割工艺所需。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中贝塞尔光束的切割原理示意图；
图2为本发明中用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法的光路图；
图3为本发明中两个贝塞尔光束叠加后切割宽度增加Δd的示意图；
图4为本发明中经过衍射光学元件后的局部光束分布示意图；
图5为本发明中无衍射光学区域与待加工材料之间形成夹角β的示意图；
图6为本发明中实现用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法的装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例提供了一种用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法，其包括如下步骤：
通过激光器产生至少两束贝塞尔光束；
对至少一束贝塞尔光束进行分束调制，使其分布在主光轴X两侧的光束的光强不等，且主光轴X两侧的光束与主光轴的夹角相等；本实施例中，如图2所示，通过衍射光学元件1(即DOE，Difractive Optical Element)对入射的贝塞尔光束进行分束调制，将其分成分别位于主光轴X两侧的第一光束L1和第二光束L2，且第一光束L1和第二光束L2光强分布不等，如第一光束L1的光强小于第二光束L2；同时，第一光束L1和第二光束L2与主光轴X之间形成的夹角分别为α1、α2，且α1＝α2；
经分束调制的贝塞尔光束经过相干光学信息处理系统2(如4F系统)后射出，以形成无衍射光学区域S1，即贝塞尔切割的焦深范围，该无衍射光学区域S1的光轴X1与主光轴X平行，且两者之间的距离不为0，且此时第一光束L1和第二光束L2与无衍射光学区域S1的光轴X1之间形成的夹角均为α’；同时，无衍射光学区域S1的光轴X1与主光轴X之间的距离，也即无衍射光学区域S1的光轴X1相对主光轴X的偏移量可通过调整衍射光学元件1参数配置等方式进行调节；
上述示出了仅对一束贝塞尔光束进行分束调制，形成无衍射光学区域S1的过程，本实施例中，如图2所示，还可以对另外一束贝塞尔光束进行分束调制，其过程参见上述描述，在此不再赘述，另外一束贝塞尔光束最终无衍射光学区域S2，且同样的，该无衍射光学区域S2的光轴X2与主光轴X平行，且两者之间的距离不为0。
如图2-3所示，将经分束调制的、且经过相干光学信息处理系统2射出的贝塞尔光束与至少一束其他的贝塞尔光束(所述其他的贝塞尔光束可经过分束调制，也可不经过分束调制)进行叠加，使得至少两束贝塞尔光束形成的无衍射光学区域部分重叠/完全不重叠，以实现对待加工材料切割轨迹宽度的控制，本实施例中，所述待加工材料包括透明脆性材料，如玻璃、蓝宝石等。
由于衍射光学元件1的配置参数可调，因此可通过调节该参数配置控制贝塞尔光束的光强分布，如图4所示，衍射光学元件1的参数配置满足使贝塞尔光束通过衍射光学元件1后为多个高斯或者平顶光叠加的光强分布即可，进一步的，经衍射光学元件1调制后的贝塞尔光束通过相干光学信息处理系统2射出，使得最终形成的无衍射光学区域的光轴相对主光轴X产生偏移，由此使得当两束贝塞尔光束进行叠加时，两束贝塞尔光束之间形成间隔Δd(所述间隔Δd可以两个平行的无衍射光学区域的光轴之间的距离，如光轴X1、X2之间的距离来确定)，因此，当该贝塞尔光束对待加工材料进行切割时，切割轨迹宽度相应增加Δd，由此极大的拓宽利用贝塞尔光束进行透明脆性材料加工的应用范围。
实施例2：
实施例1所述方案中，如图2所示，经衍射光学元件1调制后，主光轴X两侧的第一光束L1和第二光束L2与主光轴X之间形成的夹角分别为α1、α2，且α1＝α2，由此使得最终形成无衍射光学区域S1的光轴X1与主光轴X是相互平行的，第一光束L1和第二光束L2与无衍射光学区域S1的光轴X1之间形成的夹角均为α’，因此进行材料切割时，贝塞尔光束的作用段也是垂直于待加工材料的。但实际应用中会要求贝塞尔光束的作用段(即无衍射光学区域S1)与待加工材料之间形成一个夹角，由此便于进行裂片等后制流程。
由此，本实施例与实施例1的不同之处仅在于，对至少一束贝塞尔光束进行分束调制，使其分布在主光轴两侧的光束的光强不等的同时，使得主光轴两侧的光束与主光轴的夹角不等，进一步使得经分束调制的贝塞尔光束形成的无衍射光学区域与待加工材料之间形成夹角β，所述夹角β也即无衍射光学区域S1的光轴X1与主光轴X之间形成的夹角，此时，经过相干光学信息处理系统2后射出的、主光轴两侧的光束与主光轴X之间形成的夹角分别为α1’、α2’，且α1’、α2’已知，例如，在本实施例中，α1’、α2’即分别为第一光束L1和第二光束L2与主光轴X之间形成的夹角。
如图2，4所示，在已知α1’、α2’以及相干光学信息处理系统2参数的前提下，根据贝塞尔光束的角度关系，通过公式(1)即可推算贝塞尔光束被分束调制后形成的第一光束L1和第二光束L2分别与主光轴X之间形成的夹角α1、α2：
Figure BDA0002880441360000051
其中，F1、F2分别为相干光学信息处理系统2第一个透镜的焦距以及第二个透镜的焦距。
进一步的，在进行分束之前，即按照夹角α1、α2对衍射光学元件1进行相应的参数配置，然后出光，使得贝塞尔光束最终形成的无衍射光学区域S1与待加工材料之间形成夹角β。
同理，对其他的贝塞尔光束也可以进行类似处理，其过程不再赘述。
由此，本实施例中通过改变衍射光学元件1的参数设置，使得贝塞尔光束经过衍射光学元件1、相干光学信息处理系统2后最终形成的无衍射光学区域与待加工材料之间形成夹角，以此进一步扩大适用范围，满足不同的切割工艺所需。
实施例3：
本实施例提供了一种用于实现实施例1中所述用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法的装置，如图2，6所示，其包括：
激光器3，其用于产生并输出至少两束贝塞尔光束L；
扩束镜7，其用于用于调整激光光斑尺寸及发散角；本实施例中，所述激光器3产生并输出的激光光束L经过第一反射镜4反射至所述扩束镜7中；
衍射光学元件1，其用于对至少一束经扩束镜7射出的贝塞尔光束进行分束调制，使其分布在主光轴X两侧的光束的光强不等，且所述衍射光学元件1的参数设置可调，使得经衍射光学元件调制后，主光轴两侧的光束与主光轴之间对应形成的夹角相同/不同；本实施例中，至少一束经扩束镜7射出的贝塞尔光束依次经第一反射镜5、第二反射镜6反射后进入衍射光学元件1；
相干光学信息处理系统2，其用于使经分束调制的贝塞尔光束形成无衍射光学区域，以及使该经分束调制的贝塞尔光束与至少一束其他的贝塞尔光束进行叠加，使得至少两束贝塞尔光束形成的无衍射光学区域部分重叠/完全不重叠，以实现对待加工材料切割轨迹宽度的控制。
其他技术特征，如衍射光学元件1的参数配置方式等与实施例相同，在此不再赘述。
综上所述，本发明可通过调整衍射光学元件的配置参数控制贝塞尔光束的光强分布，进一步的，经衍射光学元件分束调制后的贝塞尔光束通过相干光学信息处理系统射出，使得最终形成的无衍射光学区域的光轴相对主光轴产生偏移，由此使得当两束贝塞尔光束进行叠加时，两束贝塞尔光束之间形成间隔，以此调节贝塞尔光束对待加工材料进行切割时的切割轨迹宽度，同时还可通过调整衍射光学元件的配置参数使得贝塞尔光束经过衍射光学元件、相干光学信息处理系统后最终形成的无衍射光学区域与待加工材料之间形成夹角，以此进一步扩大适用范围，满足不同的切割工艺所需，由此极大的拓宽利用贝塞尔光束进行透明脆性材料加工的应用范围。
需要说明的是，上述实施例1-3中的技术特征可进行任意组合，且组合而成的技术方案均属于本申请的保护范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种用于控制透明脆性材料的光学切割宽度的方法，其特征在于，包括如下步骤；
至少两束贝塞尔光束；
对至少一束贝塞尔光束进行分束调制，使其分布在主光轴两侧的光束的光强不等；
经分束调制的贝塞尔光束形成无衍射光学区域，且该无衍射光学区域的光轴与主光轴之间的距离不为0；
将经分束调制的贝塞尔光束与至少一束其他的贝塞尔光束进行叠加，使得至少两束贝塞尔光束形成的无衍射光学区域部分重叠/完全不重叠，以实现对待加工材料切割轨迹宽度的控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，经分束调制的贝塞尔光束形成的无衍射光学区域的光轴与主光轴平行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，经分束调制的贝塞尔光束形成的无衍射光学区域与主光轴之间形成夹角。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，通过衍射光学元件对贝塞尔光束进行分束调制，将其分成分别位于主光轴两侧的第一光束和第二光束，且第一光束和第二光束光强分布不等。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，经分束调制的贝塞尔光束经过相干光学信息处理系统后射出，以形成无衍射光学区域。
6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述方法的装置，其特征在于，包括：
激光器，其用于产生并输出至少两束贝塞尔光束；
扩束镜，其用于用于调整激光光斑尺寸及发散角；
衍射光学元件，其用于对至少一束经扩束镜射出的贝塞尔光束进行分束，使其分布在主光轴两侧的光束的光强不等，使得经衍射光学元件调制后，主光轴两侧的光束与主光轴之间对应形成的夹角相同/不同；
相干光学信息处理系统，其用于使经分束调制的贝塞尔光束形成无衍射光学区域，以及使该经分束调制的贝塞尔光束与至少一束其他的贝塞尔光束进行叠加，使得至少两束贝塞尔光束形成的无衍射光学区域部分重叠/完全不重叠，以实现对待加工材料切割轨迹宽度的控制。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述衍射光学元件的参数配置可调。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述衍射光学元件的参数配置使贝塞尔光束通过衍射光学元件后为多个高斯或者平顶光叠加的光强分布。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述待加工材料包括透明脆性材料。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述相干光学信息处理系统包括4F系统。
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