CN115319275A - 一种激光合束切割涂层玻璃的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光合束切割涂层玻璃的方法，包括如下步骤：S1、构造复合光束：生成两路激光束，使其一激光束转变为贝塞尔光束，并将其射入4f系统，将另一激光束引入4f系统，使其与4f系统中的贝塞尔光束进行合束，形成复合光束射出4f系统；S2、切割作业：使复合光束作用于涂层玻璃表面，先对涂层进行横向多道去除，直至涂层玻璃表面已去除涂层区域的宽度满足：贝塞尔光束的传输距离覆盖玻璃厚度，再将复合光束移动至涂层玻璃表面已去除涂层区域的边缘中心，进行玻璃切割加工。该方法可实现涂层玻璃的一次性切割分离，效率高，而且可避免分部加工所需的定位工序；另外，切割边平直、粗糙度小，整套光路系统紧凑、利用率高，可满足工程化需求。

Description

一种激光合束切割涂层玻璃的方法

技术领域

本发明涉及激光微纳加工技术领域，尤其涉及一种激光合束切割涂层玻璃的方法。

背景技术

涂层是涂料在基材上一次施涂所得到的固态连续膜，在工业上具有极广泛的应用场景，可辅助基材实现特殊的功能需求，比如防护、绝缘/导电、抗氧化、疏水、隔热等。

考虑到加工效率，涂层一般都是针对一整片玻璃来进行施涂的，因此在实际使用中，不可避免地需要对整体玻璃进行切割，使其符合具体应用场合的所需尺寸。这道工序目前大都是采用机械切割方式进行的，然而由于机械切割是接触式加工，会直接对材料施加应力，容易导致崩边和裂纹的产生；而且，切割速度较慢，刀轮存在磨损，同时加工过程会消耗大量的水；此外，涂层厚度小，容易在加工过程中被破坏，根据涂层性质的不同，可能会导致脱落、拉丝、消融等不利结果。

超快激光具有超高峰值功率的特点，可直接与材料发生非线性相互作用，从而快速沉积能量，使材料短时间内气化去除，同时带走多余热量，可有效避免热扩散作用，非常适于涂层材料的加工。但是对于玻璃材料而言，直接使用聚焦的超快激光进行去除切割加工是不适合的，由于激光仅可在焦点处与材料产生相互作用，而焦深尺寸很短，切割具有一定厚度的玻璃就需要焦点的进给移动，极大地影响了加工效率，而且粗糙度较大。另外，由于激光的聚焦效应，切割边往往存在一定的锥度，也会影响实际应用，可能还需要二次打磨。对此，贝塞尔光束是一种绝佳的解决方案，其在一定距离内可以保持光斑大小不变，具有较长的焦深，可实现对玻璃材料的一次性切割分离，且切割边无锥度、粗糙度较小。

在一般的加工系统里，实现以上切割方法需要搭建两套光学系统，分别进行聚焦光束去涂层和贝塞尔光束玻璃切割，这样不仅会增加加工时间和工序，而且会增加系统成本，是不利于工程化实现的。因此开发成本低、结构紧凑、高效率运行的涂层玻璃切割方法和设备可以推动此技术的工程化应用。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种激光合束切割涂层玻璃的方法，该方法可实现涂层玻璃的一次性切割分离，效率高，而且可避免分部加工所需的定位工序；另外，切割边平直、粗糙度小，整套光路系统紧凑、利用率高，可满足工程化需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光合束切割涂层玻璃的方法，包括如下步骤：

S1、构造复合光束：生成两路激光束，使其一激光束转变为贝塞尔光束，并将其射入4f系统，将另一激光束引入4f系统，使其与4f系统中的贝塞尔光束进行合束，形成复合光束射出4f系统；

S2、切割作业：使复合光束作用于涂层玻璃表面，先对涂层进行横向多道去除，直至涂层玻璃表面已去除涂层区域的宽度满足：贝塞尔光束的传输距离覆盖玻璃厚度，再将复合光束移动至涂层玻璃表面已去除涂层区域的边缘中心，进行玻璃切割加工。

进一步的，构造复合光束的装置包括激光器、扩束准直镜、半波片、偏振分束镜、锥透镜、4f系统、反射镜组以及偏振合束镜；

所述扩束准直镜设置在激光器后，用于将激光器输出的激光束进行扩束准直；

所述半波片设置在扩束准直镜后，用于调整经扩束准直镜后激光束的偏振方向；

所述偏振分束镜设置在半波片后，用于将经过半波片的激光束分为第一路激光束和第二路激光束；

所述锥透镜设置在偏振分束镜后，用于将第一路激光束转变为贝塞尔光束；

所述4f系统设置在锥透镜后，用于压缩贝塞尔光束；

所述反射镜组设置在在偏振分束镜后，用于将第二路激光束引入4f系统；

所述偏振合束镜设置在4f系统中，用于将经过4f系统的第一透镜后的贝塞尔光束与第二路激光束进行合束，形成复合光束后从4f系统的第二透镜射出。

进一步的，所述激光器为超快激光器，其脉冲宽度小于15ps。

进一步的，构造复合光束的装置包括第一激光器、第一扩束准直镜、第二激光器、第二扩束准直镜、锥透镜、4f系统、反射镜组、偏振合束镜；

所述第一扩束准直镜设置在第一激光器后，用于将第一激光器输出的激光束进行扩束准直，形成第一路激光束；

所述第二扩束准直镜设置在第二激光器后，用于将第二激光器输出的激光束进行扩束准直，形成第二路激光束；

所述锥透镜设置在第一扩束准直镜后，用于将第一路激光束转变为贝塞尔光束；

所述4f系统设置在锥透镜后，用于压缩贝塞尔光束；

所述反射镜组设置在第二扩束准直镜后，用于将第二路激光束引入4f系统；

所述偏振合束镜设置在4f系统中，用于将经过4f系统的第一透镜后的贝塞尔光束与第二路激光束进行合束，形成复合光束后从4f系统的第二透镜射出。

进一步的，所述第一激光器为超快激光器，其脉冲宽度小于15ps。

本发明的有益效果为：

相比于现有技术，采用本发明的方法对涂层玻璃进行切割加工，可实现涂层玻璃的一次性切割分离，效率高，而且可避免分部加工所需的定位工序；另外，切割边平直、粗糙度小，整套光路系统紧凑、利用率高，可满足工程化需求。

附图说明

图1为本发明激光合束切割涂层玻璃的方法流程图；

图2为本发明实现上述激光合束切割涂层玻璃的整套光路系统之一；

图3为本发明实现上述激光合束切割涂层玻璃的整套光路系统之二；

图4为本发明涂层去除的示意图；

图5为本发明玻璃切割的示意图。

标注说明：

1、激光器，2、扩束准直镜，3、半波片，4、偏振分束镜，5、锥透镜，6、贝塞尔光束，7、第一透镜，8、第二透镜，9、反射镜组，10、偏振合束镜，11、复合光束，12、第一激光器，13、第一扩束准直镜，14、第二激光器，15、第二扩束准直镜，16、涂层，17、玻璃，18、主瓣。

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实例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1、5所示，一种激光合束切割涂层玻璃的方法，包括如下步骤：

S1、构造复合光束11：生成两路激光束，使其一激光束转变为贝塞尔光束，并将其射入4f系统，将另一激光束引入4f系统，使其与4f系统中的贝塞尔光束6进行合束，形成复合光束11射出4f系统；

S2、切割作业：使复合光束11作用于涂层玻璃表面，先对涂层16进行横向多道去除，这一过程中，应当控制激光能量，避免对玻璃17造成损伤，直至涂层玻璃表面已去除涂层区域的宽度满足：贝塞尔光束6的传输距离覆盖玻璃17厚度，再将复合光束11移动至涂层玻璃表面已去除涂层区域的边缘中心，进行玻璃17切割加工。

具体的，实现上述加工方法的整套光路系统如下：

实施例1：

请参阅图2所示，构造复合光束11的装置包括激光器1、扩束准直镜2、半波片3、偏振分束镜4、锥透镜5、4f系统、反射镜组9以及偏振合束镜10；

激光器1为超快激光器，其脉冲宽度小于15ps；

扩束准直镜2设置在激光器1后，用于将激光器1输出的激光束进行扩束准直；

半波片3设置在扩束准直镜2后，用于调整经扩束准直镜2后激光束的偏振方向，以分配后续由偏振分束镜4所分两束激光的功率；

偏振分束镜4设置在半波片3后，用于将经过半波片3的激光束分为第一路激光束和第二路激光束，并通过调节半波片3分配由偏振分束镜4所分两束激光的功率；

锥透镜5设置在偏振分束镜4后，用于将第一路激光束转变为贝塞尔光束6；

4f系统设置在锥透镜5后，用于压缩贝塞尔光束6；

反射镜组9设置在在偏振分束镜4后，用于将第二路激光束引入4f系统，也就是用于光束反射转接；

偏振合束镜10设置在4f系统中，用于将经过4f系统的第一透镜7后的贝塞尔光束6与第二路激光束进行合束，形成复合光束11后从4f系统的第二透镜8射出。

实施例2：

请参阅图3所示，构造复合光束11的装置包括第一激光器12、第一扩束准直镜13、第二激光器14、第二扩束准直镜15、锥透镜5、4f系统、反射镜组9、偏振合束镜10；

第一激光器12为为超快激光器，其脉冲宽度小于15ps，第二激光器14可以是超快激光器，也可以是非超快激光器。

第一扩束准直镜13设置在第一激光器12后，用于将第一激光器12输出的激光束进行扩束准直，形成第一路激光束；

第二扩束准直镜15设置在第二激光器14后，用于将第二激光器14输出的激光束进行扩束准直，形成第二路激光束；

锥透镜5设置在第一扩束准直镜13后，用于将第一路激光束转变为贝塞尔光束6；

4f系统设置在锥透镜5后，用于压缩贝塞尔光束6；

反射镜组9设置在第二扩束准直镜15后，用于将第二路激光束引入4f系统，也就是用于光束反射转接；

偏振合束镜10设置在4f系统中，用于将经过4f系统的第一透镜7后的贝塞尔光束6与第二路激光束进行合束，形成复合光束11后从4f系统的第二透镜8射出。

实施例1-2中，4f系统的第二透镜8还起到聚焦的作用。

请参阅图4-5所示，基于上述装置切割涂层玻璃的原理如下：

当贝塞尔光束6和普通聚焦光束共同作用于涂层玻璃表面时，普通聚焦光束由于光束能量更集中，能量密度更大，会首先与涂层16产生相互作用。当然，此过程中，贝塞尔光束6的主瓣18也会有能量沉积，会与普通聚焦光束一起对涂层16形成去除效应。而贝塞尔光束6的旁瓣由于能量密度低，无法直接对涂层16产生作用，因此单次加工过程中，复合光束11会在涂层玻璃表面形成一根去除线。

如图4中的（a），该去除线的宽度与聚焦光斑大小相当，其周围仍然被涂层16所覆盖，贝塞尔光束6由于周围涂层16的挡光效应，依然无法向前传输，因此需要继续利用复合光束11对周围的涂层16进行去除（即对涂层16进行横向多道去除）。此去除过程中，由于贝塞尔光束6的一侧始终存在涂层16，不能形成贝塞尔光束6传输，因此去除过程中是不会有贝塞尔光束6切割玻璃17的情况出现的。

如图4中的（b）、5，直到贝塞尔光束6（主瓣18）的传输距离可以覆盖玻璃17厚度时，就可以将复合光束11调节至涂层玻璃表面已去除涂层区域的的边缘中心，开始实施切割操作（使复合光束11与玻璃17之间产生相对位移即可实现对玻璃17的切割，一般采用位移台带动涂层玻璃移动，整套光路系统固定）。

当复合光束11作用于涂层玻璃表面已去除涂层区域的的中心线时，贝塞尔光束6会在玻璃17内部形成一条贯穿的激光作用区。该激光作用区受诱导热应力的影响在玻璃17内部生成微裂纹，随着切割操作的进行，贯穿的激光作用区逐渐延伸至整片待切割材料，生成的微裂纹也扩展相连，在外力或热作用条件下，即可实现玻璃17的切割分离。

总的来说，本发明可实现涂层玻璃的一次性切割分离，效率高，而且可避免分部加工所需的定位工序；另外，切割边平直、粗糙度小，整套光路系统紧凑、利用率高，可满足工程化需求。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种激光合束切割涂层玻璃的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、构造复合光束：生成两路激光束，使其一激光束转变为贝塞尔光束，并将其射入4f系统，将另一激光束引入4f系统，使其与4f系统中的贝塞尔光束进行合束，形成复合光束射出4f系统；

S2、切割作业：使复合光束作用于涂层玻璃表面，先对涂层进行横向多道去除，直至涂层玻璃表面已去除涂层区域的宽度满足：贝塞尔光束的传输距离覆盖玻璃厚度，再将复合光束移动至涂层玻璃表面已去除涂层区域的边缘中心，进行玻璃切割加工。

2.根据权利要求1所述的一种激光合束切割涂层玻璃的方法，其特征在于：构造复合光束的装置包括激光器、扩束准直镜、半波片、偏振分束镜、锥透镜、4f系统、反射镜组以及偏振合束镜；

所述扩束准直镜设置在激光器后，用于将激光器输出的激光束进行扩束准直；

所述半波片设置在扩束准直镜后，用于调整经扩束准直镜后激光束的偏振方向；

所述偏振分束镜设置在半波片后，用于将经过半波片的激光束分为第一路激光束和第二路激光束；

所述锥透镜设置在偏振分束镜后，用于将第一路激光束转变为贝塞尔光束；

所述4f系统设置在锥透镜后，用于压缩贝塞尔光束；

所述反射镜组设置在在偏振分束镜后，用于将第二路激光束引入4f系统；

所述偏振合束镜设置在4f系统中，用于将经过4f系统的第一透镜后的贝塞尔光束与第二路激光束进行合束，形成复合光束后从4f系统的第二透镜射出。

3.根据权利要求2所述的一种激光合束切割涂层玻璃的方法，其特征在于：所述激光器为超快激光器，其脉冲宽度小于15ps。

4.根据权利要求1所述的一种激光合束切割涂层玻璃的方法，其特征在于：构造复合光束的装置包括第一激光器、第一扩束准直镜、第二激光器、第二扩束准直镜、锥透镜、4f系统、反射镜组、偏振合束镜；

所述第一扩束准直镜设置在第一激光器后，用于将第一激光器输出的激光束进行扩束准直，形成第一路激光束；

所述第二扩束准直镜设置在第二激光器后，用于将第二激光器输出的激光束进行扩束准直，形成第二路激光束；

所述锥透镜设置在第一扩束准直镜后，用于将第一路激光束转变为贝塞尔光束；

所述4f系统设置在锥透镜后，用于压缩贝塞尔光束；

所述反射镜组设置在第二扩束准直镜后，用于将第二路激光束引入4f系统；

所述偏振合束镜设置在4f系统中，用于将经过4f系统的第一透镜后的贝塞尔光束与第二路激光束进行合束，形成复合光束后从4f系统的第二透镜射出。

5.根据权利要求4所述的一种激光合束切割涂层玻璃的方法，其特征在于：所述第一激光器为超快激光器，其脉冲宽度小于15ps。

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