CN114227017A - 一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绿光超快激光蓝宝石切割方法和系统，所述方法包括步骤：1)将蓝宝石工件通过固定装置固定于工作台上；2)设置激光器发射的激光依次经过整形光路、光束传输光路、激光切割头后，聚焦在工作台上的蓝宝石工件表面；所述激光切割头通过驱动系统设置于蓝宝石的上方；3)所述激光器为绿光超快激光器；4)通过控制激光束在蓝宝石工件表面X、Y、Z轴的行进速度，完成蓝宝石工件的切割。本发明基于锁定的高重复频率、单脉冲工作、高单脉冲能量、单脉冲能量一致性高的超快激光，对蓝宝石进行切割，光子一致性好，切割的精度高。

Description

一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法及系统

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法及系统。

背景技术

蓝宝石是一种氧化铝的单晶，晶格结构独特，耐磨且抗风蚀，莫氏硬度高达9，仅次于金刚石。早期由于其高硬度、耐磨性、光泽度透光性、及其加工水平要求较高而产量不足导致稀缺，只作为珠宝首饰和手表表面出现，售价昂贵。

随着苹果公司采用蓝宝石作为摄像头的保护玻璃和Home键保护玻璃，蓝宝石材料已在智能手机和可穿戴设备上得到广泛应用，在航空、国防、LED、医疗、消费电子等领域带来了更广阔的增量空间。其中LED衬底是蓝宝石下游最主要的应用，市场占比超过50％。

这些应用领域都需要对蓝宝石进行精细的加工。但由于蓝宝石是硬脆性材料，传统的机械加工易产生裂纹、碎片、分层、崩边、边缘破裂和刀具易磨损，又由于蓝宝石化学稳定性较好，使得传统的化学加工方法对其难以加工等难题,直到激光切割技术的出现。

激光切割蓝宝石，尤其是传统的光纤超快皮秒、飞秒激光器切割蓝宝石，难点在于控制激光参数、峰值功率密度、等运转参数，及其相关的加工工艺。例如当脉冲串能量从30uJ增大到150uJ，加工长度从100um增大到250um。当脉冲串能量从150uJ增大到200uJ，加工长度几乎保持不变。也就是说一开始加工长度随着脉冲串能量的增加而增大，但是在脉冲串能量超过150uJ后饱和。其中最重要的原因是脉冲串内单脉冲能量不均匀、脉冲时间不同步，时域漂移导致的能量散射，引起的加工阈值饱和现象。

为了蓝宝石的加工长度超过饱和阈值，常用的方法是采用“隐切”方式，用特殊切割头，在激光传输方向的焦点位置，形成多个达到近似饱和阈值的焦点，通过在有效加工区域内的累计加工长度，聚焦位置辐照后，才能切割250um厚以上的蓝宝石。然而对于这样的低热导、硬质脆性材料，如此累加的脉冲串能量，会使其局部超快速升温，导致样品开裂，加工区可能存在的微龟裂，衔接位置分布杂乱不均匀，也会对切割件的质量产生影响。因此，有必要根据蓝宝石超快激光加工的特点，选用合适的超快激光参数工艺，并对相关加工组合参数进行优化，达到切割的更高效果。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法及系统。该发明方法单脉冲功率密度可高达10¹²W/cm²以上，激光作用区的材料会瞬间蒸发或汽化，在蓝宝石材料内部几乎不再形成饱和加工长度。

本发明提供的一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法，所述方法包括步骤：

1)将蓝宝石工件通过固定装置固定于工作台上；

2)设置激光器发射的激光依次经过整形光路、光束传输光路、激光切割头后，聚焦在工作台上的蓝宝石工件表面；所述激光切割头通过驱动系统设置于蓝宝石的上方；

3)所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的绿光超快激光器；所述激光器的发射频率为50KHz-100KHz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为200uJ-400uJ，所述单脉冲能量的一致性为≤±5％；

4)通过控制激光切割头激光束在蓝宝石工件表面X、Y、Z轴的行进速度，完成蓝宝石工件的切割。

进一步，所述激光器为全固态皮秒激光器。

进一步，所述激光器的窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。

进一步，所述光束传输光路的传输距离为200-1000mm。

进一步，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。

进一步，所述单脉冲宽度为1-15ps。

进一步，所述激光器发射的激光波长设置为532±5nm；所述激光光斑行进速度为1-500mm/s。

本发明还包括实现上述绿光超快激光蓝宝石切割方法的系统，所述系统包括工作台、光学系统和主控制系统，所述主控制系统设于工作台的一侧；

所述光学系统包括绿光超快激光器、光路和激光切割头；

所述工作台上设有立柱，所述立柱还设有第一驱动和第一轨道，所述第一轨道内设有第一滑块，所述第一驱动能够驱动第一滑块在第一轨道内上下移动；所述第一滑块上设有第二轨道和第二驱动，所述第二轨道内设有第二滑块，所述第二驱动能够驱动第二滑块在第二轨道内水平移动；所述第二滑块上设有激光切割头；

所述工作台上还设有固定装置，所述固定装置上固定夹持待切割的蓝宝石工件；

所述主控制系统分别连接光学系统和工作台；所述激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光参数、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路、第一驱动、第二驱动和工作台完成蓝宝石工件的激光切割。

进一步，所述固定装置包括固定台，所述固定台上设有举升台，所述举升台的一侧设有固定块，所述举升台的另一侧设有伸缩压板。

进一步，所述固定块上设有超声波厚度传感器。

进一步，所述激光切割头上设有移动距离传感器。

优选地，所述主控制系统分别与超声波厚度传感器和移动距离传感器连接。

本发明所述锁频均匀能量单脉冲超快激光是指超快激光工作方式为锁定频率下均匀能量单脉冲周期性输出。

本发明的有益效果在于：

1.本发明基于锁定的高重复频率、单脉冲工作、高单脉冲能量、单脉冲能量一致性高的超快激光切割方法，对蓝宝石进行切割，光子一致性好，切割的精度高。

2.本发明对蓝宝石晶片进行切割，单脉冲均匀性好，不仅加工速度快、切口质量好、几乎无挂渣，并且可以进行任意图形进行切割。单脉冲功率密度可高达10¹²W/cm²以上，激光作用区的材料会瞬间蒸发或汽化，在蓝宝石材料内部几乎不再形成饱和加工长度。

3.本发明基于锁定的高重复频率、高单脉冲能量、单脉冲能量一致性高的超快激光切割方法，对蓝宝石工件进行切割，加工过程一致性好，切割精度大大高于现有传统超快激光切割方法，后期无需再裂片等处理即可满足要求。

4.本发明的激光切割方法，激光器输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，加工工件的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，进一步提高切割精度。

5.本发明的切割方法，脉冲均匀，准确，加工时间快，几乎不出现漏点、时序匹配精准。

6.本发明方法通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现切割，而不是通过热至熔化作用来实现切割，因此几乎没有热影响区出现、加工面几乎无挂渣、无裂纹、无崩边等现象。

7.在本发明单脉冲能量一致性高的超快激光设备照射下，工件表面清晰明亮，没有重复照射，材料几乎不变暗，也几乎不改变材料的特征参数。

附图说明：

图1为本发明一种绿光超快激光蓝宝石切割的系统的结构示意图；

图2为图1绿光超快激光蓝宝石切割系统中固定台的结构示意图；

图3为本发明一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法的原理示意图；

图4为本发明绿光超快激光蓝宝石切割方法的切割效果照片；

其中：1-工作台，2-固定台，3–固定装置，31-固定板，32-弹性压缩板，33-举升台，34-超声波厚度传感器，35-固定块，4-主控制系统，5-立柱，6-第一轨道，7-第一驱动，8-第一滑块，9-第二轨道，10-第二驱动，11-第二滑块，12-光学系统，121-激光器，122-整形光路，123-光束传输光路，1231-反射镜组，1232-单反射镜，13-移动距离传感器，14-激光切割头,15-激光器承载箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法和系统进一步解释，而本发明并不局限于以下实施例。

一种绿光超快激光蓝宝石切割的方法，所述方法包括步骤：

1)将蓝宝石工件通过固定装置3固定于工作台1上；

2)设置激光器121发射的激光依次经过整形光路122、光束传输光路123、激光切割头14后，聚焦在工作台1上的蓝宝石工件表面；所述激光切割头14通过驱动系统设置于蓝宝石的上方；

3)所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的绿光超快激光器；所述激光器的发射频率为50KHz-100KHz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为200uJ-400uJ，所述单脉冲能量的一致性为≤±5％

4)通过控制激光切割头14激光束在蓝宝石工件表面X、Y、Z轴的行进速度，完成蓝宝石工件的切割。

本发明还包括实现上述绿光超快激光蓝宝石切割方法的系统，所述系统包括工作台1、光学系统12和主控制系统4，所述主控制系统4设于工作台的一侧；

所述光学系统12包括绿光超快激光器121、光路122、123和激光切割头14；

所述工作台1上设有立柱5，所述立柱5还设有第一驱动7和第一轨道6，所述第一轨道6内设有第一滑块8，所述第一驱动7能够驱动第一滑块8在第一轨道6内上下移动；所述第一滑块8上设有第二轨道9和第二驱动10，所述第二轨道9内设有第二滑块11，所述第二驱动10能够驱动第二滑块11在第二轨道9内水平移动；所述第二滑块11上设有激光切割头14；

所述工作台1上还设有固定装置3，所述固定装置3上固定夹持待切割的蓝宝石工件；

所述主控制系统4分别连接光学系统12、工作台1；所述激光器121通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器4相连，计算机控制器4将控制的激光参数、扫描速度及重复频率信号输入到激光器121，并接收激光器121的脉冲同步信号，同时控制光路122、123、第一驱动7、第二驱动10完成蓝宝石工件的激光切割。

进一步，所述固定装置3包括固定台2，所述固定台2上设有举升台33，所述举升台33的一侧设有固定块35，所述举升台33的另一侧设有弹性压缩板32。

进一步，所述固定块35上设有超声波厚度传感器34。

进一步，所述激光切割头14上设有移动距离传感器13。

优选地，所述主控制系统4分别与超声波厚度传感器34和移动距离传感器13连接。

实施例1

本实施例一种绿光超快激光蓝宝石切割的系统的结构如下所述：

如图1-2所示，所述系统包括工作台1和主控制系统4，主控制系统为电脑，主控制系统4设于工作台1的一侧；

其中，工作台1上还设有立柱5，立柱5上设有第一驱动7和第一轨道6，第一轨道6内设有第一滑块8，第一驱动7用于驱动第一滑块8在第一轨道6内上下移动；第一滑块8上设有第二轨道9和第二驱动10，第二轨道9内设有第二滑块11，第二驱动10能够驱动第二滑块11在第二轨道9内水平移动；第二滑块11上设有激光切割头14；激光切割头14上设有移动距离传感器13；

其中，激光切割头14下方的工作台1上设有固定装置3，固定装置3包括固定台2，固定台2上设有举升台33，举升台33的一侧设有固定块35，举升台33的另一侧设有伸缩压板，伸缩压板包括固定板31和弹性压缩板32，固定板31固定于固定台2上，弹性压缩板32与固定板31弹性连接；将蓝宝石置于举升台33上，固定块35配合伸缩压板将举升台33上的蓝宝石夹持固定；固定块35上还设有超声波厚度传感器34；

其中，光学系统12包括激光器121，整形光路122、光束传输光路123和切割头14；整形光路122为放大倍率为5倍的扩束光路；光束传输光路123的传输距离为600mm，光束传输光路123包括相对设置的反射镜组1231及改变光路传输方向的单反射镜1232；具有聚焦功能的激光切割头14将激光聚焦后发射于下方的蓝宝石上；

其中,激光器121放置在激光器承载箱15中；

其中，主控制系统4分别连接全固态皮秒激光器121、光路122、123、第一驱动7和第二驱动10；

其中，主控制系统4分别与超声波厚度传感器34和移动距离传感器13连接。

其中，主控制系统4还连接升降台33，控制升降台33的升降距离；

在本发明中，第一驱动7和第二驱动10可以为气缸，或者现有技术中披露的任一种能够具有相同功能的结构。

本实施例的激光切割系统的切割系统工作方法如下所述：

1)将蓝宝石置于举升台33上，两侧的固定块35和伸缩压板分别从两侧夹持固定蓝宝石；

2)设置全固态皮秒激光器121的激光参数；其中，激光发射频率为100KHz；发射的单脉冲能量为200uJ，单脉冲宽度为15ps，单脉冲能量的一致性为≤±5％；激光器的窗口光斑为2mm，发散角为0.9mrad，激光光斑行进速度为1-500mm/s。

3)主控制系统4通过超声波厚度传感器34检测的蓝宝石的厚度，计算出切割的厚度，从而设定第一驱动7和第二驱动10的移动距离；

4)激光切割头14在第一驱动7和第二驱动10的驱动下沿设定的移动距离移动进行切割，移动距离传感器13检测实际移动的距离。

切割效果如图4所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绿光超快激光蓝宝石切割方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

1)将蓝宝石工件通过固定装置固定于工作台上；

2)设置激光器发射的激光依次经过整形光路、光束传输光路、激光切割头后，聚焦在工作台上的蓝宝石工件表面；所述激光切割头通过驱动系统设置于蓝宝石的上方；

3)所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的绿光超快激光器；所述激光器的发射频率为50KHz-100KHz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为200uJ-400uJ，所述单脉冲间能量差异≤±5％；

4)通过控制激光切割头激光束在蓝宝石工件表面X、Y、Z轴的行进速度，完成蓝宝石工件的切割。

2.根据权利要求1所述绿光超快激光蓝宝石切割方法，其特征在于，所述激光器为全固态皮秒激光器。

3.根据权利要求1所述绿光超快激光蓝宝石切割方法，所述激光器的窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。

4.根据权利要求1所述绿光超快激光蓝宝石切割方法，其特征在于，所述光束传输光路的传输距离为200-1000mm。

5.根据权利要求1所述绿光超快激光蓝宝石切割方法，其特征在于，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。

6.根据权利要求1所述绿光超快激光蓝宝石切割方法，其特征在于，所述单脉冲宽度为1-15ps。

7.根据权利要求1所述绿光超快激光蓝宝石切割方法，其特征在于，所述激光器发射的激光波长设置为532±5nm；所述激光光斑行进速度为1-500mm/s。

8.实现权利要求1所述绿光超快激光蓝宝石切割方法的系统，其特征在于，所述系统包括工作台、光学系统和主控制系统，所述主控制系统设于工作台的一侧；

所述光学系统包括绿光超快激光器、光路和激光切割头；

所述工作台上设有立柱，所述立柱还设有第一驱动和第一轨道，所述第一轨道内设有第一滑块，所述第一驱动能够驱动第一滑块在第一轨道内上下移动；所述第一滑块上设有第二轨道和第二驱动，所述第二轨道内设有第二滑块，所述第二驱动能够驱动第二滑块在第二轨道内水平移动；所述第二滑块上设有激光切割头；

所述工作台上还设有固定装置，所述固定装置上固定夹持待切割的蓝宝石工件；

所述主控制系统分别连接光学系统和工作台；所述激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光参数、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路、第一驱动、第二驱动和工作台完成蓝宝石工件的激光切割。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述固定装置包括固定台，所述固定台上设有举升台，所述举升台的一侧设有固定块，所述举升台的另一侧设有伸缩压板。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述固定块上设有超声波厚度传感器。

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