CN116835886A - 一种厚玻璃结构件的加工方法 - Google Patents

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CN116835886A CN202310772911.5A CN202310772911A CN116835886A CN 116835886 A CN116835886 A CN 116835886A CN 202310772911 A CN202310772911 A CN 202310772911A CN 116835886 A CN116835886 A CN 116835886A
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方艳阳
张立
周建红
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Shenzhen Guihua Intelligent Technology Co ltd
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Shenzhen Guihua Intelligent Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种厚玻璃结构件的加工方法,包括激光区域选择性辐照改性及化学湿法蚀刻两个环节。本发明的有益效果是：本发明采用了激光区域选择性辐照改性蚀刻的技术取代现有的激光烧蚀直接去除材料，贝塞尔光束激光切割结合机械或二氧化碳激光裂片两种技术，本发明在材质适应性、加工速度、加工质量、加工效率等方面均有较大提升。

Description

一种厚玻璃结构件的加工方法
技术领域
本发明涉及玻璃加工技术领域，尤其涉及一种厚玻璃结构件的加工方法。
背景技术
作为一种优质的工业材料，玻璃具有透明、硬度高、导热性好、机械强度好、热膨胀系数可调以及优良的介电性能，在工业领域有着广泛的应用，如建筑玻璃、装修装饰、灯具、液晶显示器、汽车面板、光学透镜、太阳能电池封装等。由于材质具有脆硬的特点，给玻璃加工带来一定困难，尤其是精度要求高且具有复杂形状的超厚玻璃结构件精密加工，一直是加工领域不断研究的课题之一。
常用的厚玻璃加工方法有：
1.机械加工法：
金刚石(或合金钢)划片+机械裂片，此方法的缺点非常明显：一是加工应力较大，容易产生碎屑和微裂纹从而降低边缘强度，需要后续增加CNC精磨工序；二是CNC精磨只适宜加工直线或弧度较大的弧线及较小的外圆角，难于加工形状复杂的异形结构；三是需借助金刚石钻头才能实现钻孔，不适宜加工0.5以下小孔，不适宜加工异型孔；四是是刀具损耗大，加工成本高；五是是设备结构复杂，需要冷却或除尘设备。
2.水刀切割法：
采用高压水射流加入金刚砂完成切割，此种方法可以加工异形零件，也可以加工直径大于一定尺寸的孔，但加工表面粗糙，尺寸精度不好，切口有明显崩裂，仍需要CNC精磨。
3.线切割法：
专利CN 113698083 A公布了一种线切割加工厚玻璃工艺，此方法可以加工异形零件，且能达到一定尺寸精度，但总体工艺复杂，加工效率低下。
4.激光扫描法：
专利CN111822887 A公布了一种通过振镜逐层扫描加工厚玻璃的激光加工工艺，此方法原本用于激光钻孔，也可以用于加工尺寸较小的异形零件。
5.超快激光加工：
专利CN112142315A和CN111302613A公布了一种通过超快激光汇聚成贝塞尔光束进行激光加工，然后通过机械或二氧化碳激光裂片的厚玻璃加工工艺，可以加工各种形状尺寸的异形零件，也能加工微小异形孔，加工精度高，加工速度快，此工艺是已知当前厚玻璃加工的最好方案。
专利CN111822887 A所述的方法，主要特点为：
(1).绿激光可以对玻璃进行材料去除，可以用于加工厚玻璃结构件；
(2).使用逐层扫描的方式可以加工厚玻璃；
(3).使用振镜可以加工异形零件；
(4).加工的最小孔径为0.2mm；
(5).最大加工能力为90mm，超过此尺寸则需要拼接。
专利CN111822887 A的技术虽然能解决小尺寸厚玻璃结构件的加工，但存在的缺陷也较为明显：
(1).绿激光(532nm)为可见光波段(400-700nm)，眼睛的屈光介质如角膜、房水、晶状体等对可见光的透过率很高，吸收率低，绿激光辐射对视网膜和脉络膜的损伤较大，长期操作将引起视力减退。
(2).渐进式去除材料粉尘较大，玻璃粉在人体内不可降解，不易排除，不慎吸入将造成尘肺，肺部钙化等严重情况。
(3).逐层扫描加工效率非常低。
(4).由于高斯光束会聚成为锥形，因此加工面会有一定锥度。
(5).材料逐层去除要求扫描图形在Z轴方向自下而上或反之运动，由于Z轴垂直度和振镜重复误差的存在，并且扫描到接近结尾时不可避免的热影响，因此崩边较大(≧100um)，加工精度差，加工面光洁度较差，控制不佳的情况下还能看出加工面有明显分层，孔截面成平行四边形或螺旋状。
(6).根据专利给出参数判定，无法完成0.2mm以下的微小孔径加工。
(7).由于振镜扫描范围限制，单次加工范围不大于90mm，大尺寸加工则需要拼接才能实现，原因同上述6)，拼接处会有明显的拼接痕迹，外观不良，还会产生应力集中。
专利CN112142315A和CN111302613A所述的贝塞尔光束加工方法是当前已知加工厚玻璃结构件的最佳方案，与上述方案比较有如下显著优点：
(1).一次加工范围大，最大加工尺寸和平台行程一致。
(2).能够加工小尺寸孔、微孔、异形结构。
(3).加工过程为玻璃熔融过程，几乎无粉尘。
(4).采用红外激光，裸眼操作几乎无任何伤害，但需避免激光直射人体。
(5).采用贝塞尔光路聚焦成丝，一次加工深度大，加工效率高，加工面几乎无锥度。
(6).采用激光切割后裂片工艺，因光斑较细且相对均匀，裂片后加工面光洁度好。
专利所展示的关键光学结构(图1)和产品图片(图2)，根据图面分析，其光学结构、实际产品和裂片方式表现如下：
(1).整形光路径光学器件本身存在物理缺陷。
(2).激光熔融点直径一致性较差。
(3).激光熔融点距离一致性较差。
(4).激光熔融点之间有不规则裂纹，以上(2)-(4)将导致裂片后光洁度差且边缘容易崩碎。
(5).专利所述的机械或二氧化碳激光裂片，无法取出中空零件内部材料。
据此分析，专利CN112142315A和CN111302613A所展示的光学原理、控制方式、裂片方式存在一定缺陷，具体分析如下：
(1).光学器件本身存在物理缺陷。当前绝大多数激光设备企业均采用几何锥透镜做为衍射元件把高斯光束调制为贝塞尔光束，期望共轭成像后获得细长，能量分布均匀的切割光束。但因为加工误差的存在，几何锥透镜顶角不可能做到理论角度，顶部为圆形而非理论上的尖点(见图3和图4)，次级光强的存在导致聚焦光斑变大，热影响区域大，相干性差，对加工造成的影响表现为：熔融形貌变粗变浅，锥度变大，热影响区宽窄不一，热裂纹变大，崩边风险显著增加。
(2).速度同步控制方式导致熔融点分布不均。激光输出分为速度同步和位置同步两种，速度同步体现为激光熔融点距离受速度波动影响而分布不均，尤其在加速和减速段，会明显观察到光斑距离由密到疏的变化，体现为裂片后崩边严重。
(3).中空零件内部材料难于取出。超快激光切缝是由密排的玻璃熔融微孔构成，并非完全切断，因此需要裂片工艺才能将玻璃分开，由于激光加工的熔融作用，切缝处产生膨胀应力挤压内部材料(如图5所示，在图5中，白色环形为所需零件，黑色箭头为应力挤压方向)导致材料无法取出，采用所述的机械和二氧化碳激光裂片，即便使用裂片引导线也很难解决中空零件内部材料无法取出的问题。
综上所述，专利CN112142315A和CN111302613A所述的加工方法在光学和控制方式上存在较大缺陷，并且裂片方式仍有遗留问题尚待解决，无法获得高质量的厚玻璃结构件。
发明内容
本发明提供了一种厚玻璃结构件的加工方法，包括构建激光加工系统步骤、激光区域选择性辐照改性步骤、化学湿法蚀刻步骤，在所述构建激光切割系统步骤中，对激光切割系统进行配置；在所述激光区域选择性辐照改性步骤中，应用激光切割系统完成玻璃改性；在所述化学湿法蚀刻步骤中，采用化学湿法蚀刻法对玻璃进行选择性蚀刻。
作为本发明的进一步改进，所术构建激光加工系统步骤包括：步骤SA1配置加工机构、步骤SA2配置激光器、步骤SA3配置激光光路、步骤SA4配置激光切割头。
作为本发明的进一步改进，所述激光区域选择性辐照改性步骤包含：步骤SB1对焦、步骤SB2上料、步骤SB3编辑加工路径、步骤SB4设定加工参数、步骤SB5实施区域改性、以及相关的准备工作。
作为本发明的进一步改进，所述化学湿法蚀刻步骤包含：步骤SC1选择蚀刻液种类和浓度，步骤SC2：在超声波清洗设备的超声槽内注入蚀刻液，把切割完的厚玻璃浸没在蚀刻液内，设定蚀刻温度及工艺时间，步骤SC3设定辅助震动频率，以及相关辅助工作。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SA1中：所述加工机构包括相互垂直的XYZ三个轴，所述XYZ三个轴由直线电机驱动并带有光栅编码器形成闭环控制，所述XY轴运动速度范围0-500mm/s，所述XY轴加速度范围0-1g；所述XY轴重复精度±0.2um，定位精度±1um；所述XY轴加工范围不小于但不局限于500*500mm；所述Y轴上配备真空吸附工作台，所述加工机构配备CCD定位功能；所述加工机构的控制系统支持同步位置输出功能；所述加工机构的操作软件支持图形编辑、图形导入功能。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SA2中：所述激光器中心波长为1064nm，所述激光器脉宽为10-50ps，所述激光器功率范围但不局限于50-150W，所述激光器的单脉冲能量范围但不局限250uj-500mj；所述激光器的重复频率50-500KHz，所述激光器的光束质量≦1.3，所述激光器支持同步位置输出功能。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SA3中：所述激光光路包含光闸、光澜、45度反射镜、1-8X红外扩束镜、λ/4波片，所述激光光路上配置可拆装的调光辅助组件，所述红外扩束镜和所述光澜用于改变切割头入口光束尺寸和形貌，进而改变聚焦光斑的尺寸和形貌，影响熔融点的直径和切割深度。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SA4中：所述激光切割头包括准直镜、平板锥透镜、共轭成像系统，所述共轭成像系统包括平凸透镜、以及与所述平凸透镜精准同轴的物镜，所述平板锥透镜与所述平凸透镜精准同轴，所述物镜的典型焦深8mm、数值孔径0.42；所述准直透镜、所述平板锥透镜与所述共轭成像系统精准同轴，所述平板锥透镜位于所述准直镜和所述共轭成像系统之间。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SB1中：(1)取一小块玻璃材料放置于激光切割机台面，(2)切割头下降距离所述玻璃上表面F，(3)调整所述切割头高度反复试切直到切缝刚好贯穿所述玻璃下表面，(4)所述切割头下降(D-H)/2的距离；其中所述F为切割头焦距，所述D为切割头焦深，所述H为玻璃厚度，所述D须大于H；若D小于H，则需要多次变焦加工才能完成厚玻璃结构件加工，则所述切割头下降0.1H的距离。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SB2中：(1)将待切割厚玻璃材料放置于激光切割机台面，(2)所述厚玻璃侧边与激光切割机台面侧边平齐；(3)开启真空吸住厚玻璃。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SB2之前的相关准备工作包括：(1)所述厚玻璃材料和激光切割机台面之间垫无尘纸；(2)使用75％(V/V)酒精溶液清洗厚玻璃表面。
作为本发明的进一步改进，所述步骤SB3包括：打开激光切割机操作软件，按照厚玻璃结构件形状编辑加工路径或者导入加工路径；为了获得精确的零件尺寸，外形加工，加工路径向外部偏置d/2，内腔加工，加工路径向内部偏置d/2，所述d为聚焦光斑直径。
作为本发明的进一步改进，所述步骤SB4包括：在激光切割机操作软件中设定或者导入加工参数：速度、加速度、激光功率、激光频率；所述加工参数的典型值为速度为60-100mm/s，加速度为1g，激光功率为50-150W，激光频率为50-500KHz。
作为本发明的进一步改进，所述步骤SB5包括：(1)启动激光加工，(2)激光切割机沿加工路径切割，(3)若不能一次切穿玻璃则切割头提升0.8F高度；重复本步骤中的(2)(3)直到厚玻璃被切穿，其中F为切割头焦距。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SC1中，所述蚀刻液选择不含HF物质的蚀刻液，所述蚀刻液的一种典型特征为KOH、KCL或者无氟盐类蚀刻液，所述KOH的一种典型浓度为8.3％。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SC2中：所述蚀刻温度设定范围0-100℃，所述蚀刻温度波动范围±3℃，所述工艺时间根据厚玻璃材质和蚀刻液通过试验方式计算获得，其计算方法为Te＝H/(Vl-Vg)，其中Te为工艺时间，其中H为厚玻璃厚度，其中Vl为试验获得的改性结构蚀刻速率，Vg为试验获得的未改性部分蚀刻速率。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤SC3中：设定震动频率范围30-80KHz，在工艺时间结束前3分钟将设定震动频率调整为80KHz并保持到工艺时间结束。
作为本发明的进一步改进，所述相关辅助工作包括：(1)经过辐照改性的玻璃完全浸没在蚀刻液内，使用不锈钢支架支撑，(2)使用音叉式浓度计监控蚀刻液浓度，浓度下降15％以上时需补充蚀刻液有效成分；(3)蚀刻完成，取出厚玻璃结构件，使用去离子水反复冲洗干净，(4)使用气枪吹去厚玻璃结构件上的水分，(5)将厚玻璃结构件置于洁净的不锈钢支架上晾干。
本发明的有益效果是：本发明采用了激光区域选择性辐照改性蚀刻的技术取代现有的(1)激光直接去除材料，(2)贝塞尔光束切割加机械或二氧化碳激光裂片两种技术，本发明在材质适应性、加工速度、加工质量、加工效率等方面均有较大提升。
附图说明
图1是专利CN112142315A的光学结构图；
图2是专利CN112142315A的产品展示图；
图3是理想几何锥透镜贝塞尔光路及聚焦光斑形态图；
图4是实际几何锥透镜贝塞尔光路及聚焦光斑形态图；
图5是膨胀应力挤压内部材料示意图；
图6是轴向匀化无衍射光学系统原理图；
图7是直线电机控制、位置同步输出技术工作原理图；
图8是轴向匀化无衍射光路聚焦成像后的光斑形态图。
具体实施方式
本发明公开了一种厚玻璃结构件的加工方法，包括激光区域选择性辐照改性及化学湿法蚀刻两个环节，激光区域选择性辐照改性对专利CN112142315A和CN111302613A所采用的光路结构和控制方式进行了优化，化学湿法蚀刻则从根本上取代机械裂片或二氧化碳裂片方式，从而实现厚玻璃结构件异形尺寸加工，外形及内孔一次性加工，大厚度大尺寸加工，超细孔异型孔加工，高速度、无锥度、高光洁度加工。
本发明的加工方法包括如下步骤：第一步，构建激光切割系统，第二步，应用激光切割系统完成玻璃改性，第三步，采用化学湿法蚀刻法进行选择性蚀刻等。
第一步：构建激光切割系统。包含步骤SA1配置加工机构，步骤SA2配置激光器，步骤SA3配置激光光路，步骤SA4配置激光切割头等四个子步骤，其具体实施步骤如下。
步骤SA1配置加工机构需满足如下条件：(1)所述加工机构包括相互垂直的XYZ三个轴，(2)所述XYZ三个轴由直线电机驱动并带有光栅编码器形成闭环控制，(3)所述XY轴运动速度范围0-500mm/s，(4)所述XY轴加速度范围0-1g；(5)所述XY轴重复精度±0.2um，定位精度±1um；(6)所述XY轴加工范围不小于但不局限于500*500mm；(7)所述Y轴上配备真空吸附工作台(8)所述加工机构配备CCD定位功能；(8)所述加工机构的控制系统支持PSO(同步位置输出)功能；(9)所述加工机构的操作软件支持图形编辑、图形导入功能，所述的(2)(8)是构成激光位置同步输出功能的关键条件，是提升发明有益效果的条件之一；
步骤SA2配置激光器需满足如下条件：(1)所述激光器中心波长为1064nm，(2)所述激光器脉宽为10-50ps，(3)所述激光器功率范围但不局限于50-150W，(4)所述激光器的单脉冲能量范围但不局限250uj-500mj；(5)所述激光器的重复频率50-500KHz，(6)所述激光器的光束质量≦1.3，(7)所述激光器支持PSO(同步位置输出)功能，所述的(7)是构成激光位置同步输出功能的关键条件，是提升发明有益效果的条件之一；
步骤SA3配置激光光路需满足条件：(1)所述激光光路包含光闸、光澜、45度反射镜、1-8X红外扩束镜、λ/4波片，(2)所述激光光路上配置可拆装的调光辅助组件，(3)所述扩束镜和所述光澜用于改变切割头入口光束尺寸和形貌，进而改变聚焦光斑的尺寸和形貌，影响熔融点的直径和切割深度。
步骤SA4配置激光切割头需满足条件：(1)所述的切割头核心组件包括平板圆锥镜，一套共轭光路，一组物镜(2)所述选物镜的典型焦深8mm，数值孔径0.42。其中(1)是构建理想贝塞尔光束，匀化熔融点直径、深度，减小加工锥度的关键条件，是提升发明有益效果的条件之一；
第二步：实施激光区域选择性辐照改性。包含步骤SB1对焦，步骤SB2上料，步骤SB3编辑加工路径，步骤SB4设定加工参数，步骤SB5实施区域改性，以及相关的准备步骤；
准备步骤：(1)所述玻璃和激光切割机台面之间垫无尘纸；(2)使用75％(V/V)酒精溶液清洗玻璃表面。在准备步骤之后执行步骤步骤SB2。
步骤SB1：(1)取一小块玻璃材料放置于激光切割机台面，(2)切割头下降距离所述玻璃上表面约F，(3)调整所述切割头高度反复试切直到切缝刚好贯穿所述玻璃下表面，(4)所述切割头下降(D-H)/2的距离。(4)其中所述F为切割头焦距，所述D为切割头焦深，所述H为玻璃厚度，所述D须大于H；(6)若D小于H，则需要多次变焦加工才能完成厚玻璃结构件加工，则所述切割头下降0.1H的距离；
步骤SB2：(1)将待切割厚玻璃材料放置于激光切割机台面，(2)所述玻璃侧边与激光切割机台面侧边平齐；(3)开启真空吸住玻璃；
步骤SB3：(1)打开激光切割机操作软件，(2)按照厚玻璃结构件形状编辑加工路径或者导入加工路径；(3)为了获得精确的零件尺寸，外形加工，加工路径向外部偏置d/2，内腔加工，加工路径向内部偏置d/2，所述d为聚焦光斑直径；
步骤SB4：(1)在操作软件中设定或者导入加工参数：速度、加速度、激光功率、激光频率等；(2)所述加工参数的典型值为速度为60-100mm/s，加速度为1g，激光功率为50-150W，激光频率为50-500KHz；
步骤SB5：(1)启动激光加工，(2)激光切割机沿加工路径切割，(3)若不能一次切穿玻璃则切割头提升0.8F高度，(4)重复本步骤中的(2)(3)直到厚玻璃被切穿；
第三步：实施化学湿法蚀刻。包含步骤SC1选择蚀刻液种类和浓度，步骤SC2设定蚀刻温度及工艺时间，步骤SC3设定辅助震动频率，以及相关辅助工作；
步骤SC1：(1)选择不含HF物质的蚀刻液，(2)所述蚀刻液的一种典型特征为KOH，KCL或者无氟盐类蚀刻液，(3)所述KOH的一种典型浓度为8.3％；
步骤SC2：(1)设定蚀刻温度范围0-100℃，(2)所述蚀刻温度波动范围±3℃，(3)设定工艺时间根据玻璃材质和蚀刻液通过试验方式计算获得，其计算方法为Te＝H/(Vl-Vg)，(4)其中Te为工艺时间，其中H为厚玻璃厚度，其中Vl为试验获得的改性结构蚀刻速率，Vg为试验获得的未改性部分蚀刻速率；
步骤SC3：(1)设定震动频率范围30-80KHz，(2)在工艺时间结束前3分钟将设定震动频率调整为80KHz并保持到工艺时间结束；
相关辅助工作：(1)经过辐照改性的厚玻璃完全浸没在蚀刻液内，使用不锈钢支架支撑，(2)使用音叉式浓度计监控蚀刻液浓度，浓度下降15％以上时需补充蚀刻液有效成分；(3)蚀刻完成，轻轻取出厚玻璃结构件，使用去离子水反复冲洗干净，(4)使用气枪吹去水分，(5)置于洁净的不锈钢支架上晾干。
本发明最主要创新有四点，第一点创新：使用轴向匀化无衍射光学系统实现激光束轴向径向的匀化，激光能量在玻璃熔融点内均匀分布，熔融点圆度更好，辐照改性更加充分，从而保持良好的形貌，提高蚀刻效率，获得清晰的蚀刻表面。第二点创新：所选择设备的控制方式为激光同步位置输出，改善熔融点的点距分布，从而减少崩裂，保证整体加工的一致性。第三点创新：采用化学蚀刻取代机械裂片和二氧化碳激光裂片，获得光洁的蚀刻表面，零件内部材料容易取出。第四点创新：采用无氟蚀刻方法，避免HF对人体的毒害和环境污染。
现分别做详细说明：
第一点创新，本发明应用轴向匀化无衍射光学系统对激光光路进行径向选择和轴向匀化优化，激光经过扩束后，使用可变光澜选择光束中能量集中分布部分，将其余杂光滤除，被选择部分光束的能量在截面内分布相对均匀，聚焦后将获得圆度更好的光斑；使用λ/4波片和平板锥透镜3组合取代几何锥透镜，将获得完全理想的贝塞尔光束13，经共轭光路(平凸透镜4和物镜6)成像，将获得激光能量轴向匀化的细长无锥度光斑(即，细长形状的匀化聚焦光束16，效果见图6)；利用经过径向选择和轴向匀化技术处理的光束加工玻璃，获得了更均匀的光斑直径，窄而均匀的热影响区，更一致的切割深度，更小的加工锥度。
第二点创新：如图5所示，应用直线电机运动控制技术、激光位置同步触发技术实现激光光斑等距。在图5中，ZMC460N是实现PSO功能的运动控制卡。
(1)直线电机运动控制技术，其一是通过光栅编码器反馈位置信号与驱动器发出的脉冲信号进行比较，不断修正位置偏差，实现电机实际位置与输出位置相符；其二是通过比例微分积分(PID)控制、自动增益调节等方法调节电机控制参数，实现电机运动速度波动最小。
(2)激光位置同步触发技术。使用速度同步输出触发会产生熔融点重叠。位置同步触发是通过采集实时的光栅编码器反馈信号与驱动器信号进行位置比较，与激光器输出信号进行相位同步，在运动轨迹的所有阶段以恒定的空间间隔(而非时间或速度)触发发射激光，实现熔融点的均匀分布，从而保证了整体加工质量的一致性，有效避免崩边现象。
第三点创新：本发明使用化学蚀刻技术取代机械裂片及二氧化碳裂片，化学蚀刻过程是将激光改性部分材料通过化学反应选择性去除的过程，玻璃内部改性越充分，蚀刻速度越快，对基材的损伤越小，蚀刻后界面清晰光滑，经试验验证，充分改性部分与基材的最大蚀刻效率比可达1000:1，因此蚀刻过程对未改性部分损伤较小。由于整个蚀刻过程中没有机械应力和热应力产生，因此加工表面很少出现崩边现象；并且化学反应过程是一个平稳均匀的过程，因此加工表面的光洁度和平整度较高；经过化学蚀刻后，微流控芯片与玻璃基材之间将被去除约与熔融点等宽度的缝隙，因此中空构件的内部材料很容易取出。由于蚀刻对切割面向两侧的去除作用会导致零件尺寸变小，因此在制作高精密零件时，切割面需要向外偏移半个光斑的距离。
外形裂片时，对尺寸精度和崩边的要求不高，因此使用较为经济快捷的手工掰开或机械裂片。
第四点创新：本发明使用碱性蚀刻液和无氟蚀刻液取代HF溶液，虽然在蚀刻效率上稍有牺牲，但蚀刻液相对安全环保。
下面对第一创新点的轴向匀化无衍射光学系统进行详细说明，如图4所示，轴向匀化无衍射光学系统包括准直镜1、平板锥透镜3、共轭成像系统，所述准直镜1与所述平板锥透镜3精准同轴，所述平板锥透镜3与所述共轭成像系统精准同轴，所述平板锥透镜3位于所述准直镜1和所述共轭成像系统之间。
该轴向匀化无衍射光学系统还包括波片7，所述波片7位于所述准直镜1和所述平板锥透镜3之间。
平板锥透镜3是实现轴向匀化的光学元件，平板锥透镜3置于共轭成像系统之外，而共轭成像系统中并未插入衍射元件，故本发明称为轴向匀化无衍射光学系统。
锥透镜是一种用于生成贝塞尔强度分布光束或环形光束的光学元件，传统的锥透镜通常由一个平面和一个圆锥面组合而成，是一种折射型光学元件。与之相比，本发明的平板锥透镜3没有圆锥顶点，入射的准直光束在经过平板锥透镜3后直接获得锥形相位，并通过衍射作用形成环形光束，平板锥透镜3是一种衍射光学元件(DOE)。衍射光学器件加工精度为纳米级。误差为折射锥透镜的千分之一，所获得的贝塞尔光束更接近理想贝塞尔光束。
所述共轭成像系统包括平凸透镜4、以及与所述平凸透镜4精准同轴的物镜6。
作为本发明的选优实施例，所述准直镜1倍数为1-8倍可调，一端1-2倍可调，另一端1-4倍可调，两者相乘最大8倍；准直镜1的放大倍数与平板锥透镜3数值孔径相匹配。
所述平板锥透镜3的出光面与所述平凸透镜4的焦点重合，所述平板锥透镜3和所述平凸透镜4之间的工作距离为WD，其可调范围为100-150mm；所述平凸透镜4的焦距为100mm，所述平凸透镜4的直径为25.4mm，所述平板锥透镜3的直径为25.4mm，其最大有效光束口径不大于所述平凸透镜4直径的2/3，所述平凸透镜4为非球面透镜。
所述物镜6的放大倍率优选值为2X、或5X、或10X、或20X、或50X，所述物镜6的焦距优选值为4-40mm，所述物镜6的数值孔径优选值为0.45，所述物镜6的类型为红外透镜，物镜6为复合透镜。
准直镜1的作用是将入射的高斯光11准直为平行光束并扩束。λ/4波片的作用是将圆偏振光调制为左旋偏振光。平板锥透镜3的作用是将入射的左旋偏振光整形成匀化的贝塞尔光束13，并继续传输形成环形光束14；环形光束经过平凸透镜4后汇聚成环形光束15，匀化的贝塞尔光束经过共轭成像系统的平凸透镜4和物镜6成像，形成细长形状的匀化聚焦光束16。
入射光束11的直径为1-5mm(优选为1.6mm)；准直光束12的直径为3.2-12.8mm可调；贝塞尔光束13的Zmax为3.48-80mm；环形光束14的最大值为20mm，工作距离WD为100-150mm；聚焦光束16最小直径小于10um，聚焦光束16的焦深范围为0.1-8mm。
平板锥透镜3的工作机理基于几何相位原理，入射光经过平板锥透镜3调制后会发生偏振态改变，本发明首先将平锥透镜3的入射光调整为右旋圆偏振光。当入射光为右旋圆偏振光时，经平板锥透镜3调制后偏振态转变为左旋圆偏振，并携带聚焦锥形相位，经聚焦形成一段无衍射区域，在该区域内生成的光束具有贝塞尔光束特性，继续传输将形成环形光束。
(1).出射光偏转角与相位结构周期的关系：
在理想情况下，光束正入射时，根据光栅衍射公式
其中为θ偏转角，λ为波长，p为沿径向的周期，不同周期对应的偏转角为：
(2).无衍射距离计算：
右旋圆偏振光经过平板锥透镜3后，光束沿径向发生偏转并聚焦形成一段无衍射区域，该区域中将产生具有贝塞尔光束特性的光束。该光束的最大无衍射距离与入射光及平板锥透镜3参数相关，可表示为：
其中D为入射光束直径，θ为光束偏转角。在无衍射距离Zmax内，光束的能量在长距离上聚焦在一个小而细长的区域中，因此可以获得比高斯光束更高的能量集中度以及更长的焦深。
(3).环型光束直径计算：
经过平板锥透镜3后产生的环形光斑直径主要由偏转角定义。当入射光为右旋圆偏振光时，根据几何关系可以计算得到环形光束直径为:
D′＝2(WD-Zmax)·tanθ
其中D'为光束直径，WD为工作距离，根据该公式可以求出不同工作距离下的环形光束直径。
(4).焦深及聚焦直径计算：
根据共轭光路的光斑计算公式可得：D22/D12＝F2/F1；L2/L1＝F2/F1,其中F1、F2分别表示平凸透镜4和物镜6的焦距，L1、L2分别代表Zmax和焦深。
在本发明中，经过准直镜1准直后的红外激光光束入射至平板锥透镜3，透射光将在元件后的无衍射区域内形成匀化的贝塞尔光束，在超过无衍射区域后将衍射为环形光束。贝塞尔光束具有较大的聚焦深度，经过平板锥透镜3轴向匀化后的贝塞尔光束光强分布更为均匀，经过物镜6聚焦后可获得长焦深匀化光束。
本发明的有益效果：与现有的绿激光直接去除材料，贝塞尔光束切割结合机械或二氧化碳激光裂片两种加工方法不同，本发明首先采用了激光区域选择性辐照对玻璃材质实施改性，再根据改性部分与玻璃材质本身的蚀刻效率存在显著差异的机理，结合化学湿法蚀刻实现厚玻璃结构件的高效高精度加工。与前两种加工方法比较，在材质适应性、加工速度、加工质量、加工效率等方面均有较大提升，体现在如下几个方面：
1.可加工肖特BF33、AF32、石英、Eagle-X、蓝宝石等几乎所有材质的玻璃。
2.加工范围更广，无尺寸、厚度和形貌特征限制，尺寸特征从2um到设备最大行程，厚度特征从0.1mm到30mm，形貌特征包括但不限于通孔、盲孔、异型孔、异型槽、异型轮廓。
3.加工速度快，切割速度最大可达100mm/s，蚀刻速度可达5mm/8H。
4.应用蚀刻法，不受异形裂片影响，内部材料容易取出。
5.形貌特征好，表面光洁、无锥度、无崩边、无裂纹、形貌准确。
6.无环境污染，无绿光辐射污染、无粉尘污染、无氟环保蚀刻。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种厚玻璃结构件的加工方法，其特征在于，包括构建激光加工系统步骤、激光区域选择性辐照改性步骤、化学湿法蚀刻步骤，在所述构建激光切割系统步骤中，对激光切割系统进行配置；在所述激光区域选择性辐照改性步骤中，应用激光切割系统完成玻璃改性；在所述化学湿法蚀刻步骤中，采用化学湿法蚀刻法对玻璃进行选择性蚀刻。
2.根据权利要求1中所述的加工方法，其特征在于，所术构建激光加工系统步骤包括：步骤SA1配置加工机构、步骤SA2配置激光器、步骤SA3配置激光光路、步骤SA4配置激光切割头。
3.根据权利要求1中所述的加工方法，其特征在于，所述激光区域选择性辐照改性步骤包含：步骤SB1对焦、步骤SB2上料、步骤SB3编辑加工路径、步骤SB4设定加工参数、步骤SB5实施区域改性、以及相关的准备工作。
4.根据权利要求1中所述的加工方法，其特征在于，所述化学湿法蚀刻步骤包含：步骤SC1选择蚀刻液种类和浓度，步骤SC2：在超声波清洗设备的超声槽内注入蚀刻液，把切割完的厚玻璃浸没在蚀刻液内，设定蚀刻温度及工艺时间，步骤SC3设定辅助震动频率，以及相关辅助工作。
5.根据权利要求2中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SA1中：所述加工机构包括相互垂直的XYZ三个轴，所述XYZ三个轴由直线电机驱动并带有光栅编码器形成闭环控制，所述XY轴运动速度范围0-500mm/s，所述XY轴加速度范围0-1g；所述XY轴重复精度±0.2um，定位精度±1um；所述XY轴加工范围不小于但不局限于500*500mm；所述Y轴上配备真空吸附工作台，所述加工机构配备CCD定位功能；所述加工机构的控制系统支持同步位置输出功能；所述加工机构的操作软件支持图形编辑、图形导入功能。
6.根据权利要求2中所述的，其特征在于，在所述步骤SA2中：所述激光器中心波长为1064nm，所述激光器脉宽为10-50ps，所述激光器功率范围但不局限于50-150W，所述激光器的单脉冲能量范围但不局限250uj-500mj；所述激光器的重复频率50-500KHz，所述激光器的光束质量≦1.3，所述激光器支持同步位置输出功能。
7.根据权利要求2中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SA3中：所述激光光路包含光闸、光澜、45度反射镜、1-8X红外扩束镜、λ/4波片，所述激光光路上配置可拆装的调光辅助组件，所述红外扩束镜和所述光澜用于改变切割头入口光束尺寸和形貌，进而改变聚焦光斑的尺寸和形貌，影响熔融点的直径和切割深度。
8.根据权利要求2中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SA4中：所述激光切割头包括准直镜(1)、平板锥透镜(3)、共轭成像系统，所述共轭成像系统包括平凸透镜(4)、以及与所述平凸透镜(4)精准同轴的物镜(6)，所述平板锥透镜(3)与所述平凸透镜(4)精准同轴，所述物镜(6)的典型焦深8mm、数值孔径0.42；所述准直透镜(1)、所述平板锥透镜(3)与所述共轭成像系统精准同轴，所述平板锥透镜(3)位于所述准直镜(1)和所述共轭成像系统之间。
9.根据权利要求3中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SB1中：(1)取一小块玻璃材料放置于激光切割机台面，(2)切割头下降距离所述玻璃上表面F，(3)调整所述切割头高度反复试切直到切缝刚好贯穿所述玻璃下表面，(4)所述切割头下降(D-H)/2的距离；其中所述F为切割头焦距，所述D为切割头焦深，所述H为玻璃厚度，所述D须大于H；若D小于H，则需要多次变焦加工才能完成厚玻璃结构件加工，则所述切割头下降0.1H的距离。
10.根据权利要求3中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SB2中：(1)将待切割厚玻璃材料放置于激光切割机台面，(2)所述厚玻璃侧边与激光切割机台面侧边平齐；(3)开启真空吸住厚玻璃。
11.根据权利要求3中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SB2之前的相关准备工作包括：(1)所述厚玻璃材料和激光切割机台面之间垫无尘纸；(2)使用75％(V/V)酒精溶液清洗厚玻璃表面。
12.根据权利要求3中所述的加工方法，其特征在于，所述步骤SB3包括：打开激光切割机操作软件，按照厚玻璃结构件形状编辑加工路径或者导入加工路径；为了获得精确的零件尺寸，外形加工，加工路径向外部偏置d/2，内腔加工，加工路径向内部偏置d/2，所述d为聚焦光斑直径。
13.根据权利要求3中所述的加工方法，其特征在于，所述步骤SB4包括：在激光切割机操作软件中设定或者导入加工参数：速度、加速度、激光功率、激光频率；所述加工参数的典型值为速度为60-100mm/s，加速度为1g，激光功率为50-150W，激光频率为50-500KHz。
14.根据权利要求3中所述的加工方法，其特征在于，所述步骤SB5包括：(1)启动激光加工，(2)激光切割机沿加工路径切割，(3)若不能一次切穿玻璃则切割头提升0.8F高度；重复本步骤中的(2)(3)直到厚玻璃被切穿。
15.根据权利要求4中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SC1中，所述蚀刻液选择不含HF物质的蚀刻液，所述蚀刻液的一种典型特征为KOH、KCL或者无氟盐类蚀刻液，所述KOH的一种典型浓度为8.3％。
16.根据权利要求4中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SC2中：所述蚀刻温度设定范围0-100℃，所述蚀刻温度波动范围±3℃，所述工艺时间根据厚玻璃材质和蚀刻液通过试验方式计算获得，其计算方法为Te＝H/(Vl-Vg)，其中Te为工艺时间，其中H为厚玻璃厚度，其中Vl为试验获得的改性结构蚀刻速率，Vg为试验获得的未改性部分蚀刻速率。
17.根据权利要求4中所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤SC3中：设定震动频率范围30-80KHz，在工艺时间结束前3分钟将设定震动频率调整为80KHz并保持到工艺时间结束。
18.根据权利要求4中所述的加工方法，其特征在于，所述相关辅助工作包括：(1)经过辐照改性的玻璃完全浸没在蚀刻液内，使用不锈钢支架支撑，(2)使用音叉式浓度计监控蚀刻液浓度，浓度下降15％以上时需补充蚀刻液有效成分；(3)蚀刻完成，取出厚玻璃结构件，使用去离子水反复冲洗干净，(4)使用气枪吹去厚玻璃结构件上的水分，(5)将厚玻璃结构件置于洁净的不锈钢支架上晾干。
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