TWI462793B - 利用超短雷射脈衝光從兩面切割加工對象物的方法和裝置 - Google Patents

Description

利用超短雷射脈衝光從兩面切割加工對象物的方法和裝置

本發明涉及利用雷射光對加工對象物進行的加工和/或切割，特別涉及利用雷射光對蓋板玻璃以及觸摸屏技術領域所使用的玻璃等透明材料進行的微加工。更具體來說，本發明提出了一種利用超短脈衝的雙光路雷射光在金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃的兩面進行異形切割的方法和裝置。

金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃由於其具有的高透性及高强度而被廣泛應用於製造顯示屏器件。在製造顯示屏器件時，需要對玻璃進行切割。傳統的玻璃切割工藝主要是利用刀輪切割、磨棒研磨及二氧化碳雷射光進行切割。利用刀輪切割只能對未鋼化的玻璃進行外形的直線切割和半徑較大的曲線切割，切割之後還需要進行裂片才能得到完整的外形。而對於鋼化後的金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)玻璃，刀輪則很難切割。對於玻璃內部封閉區域的切割，則只能先用鑽頭鑽個小孔，再換不同的磨棒研磨至要求的尺寸。這種情况下，磨棒的損耗很大，其效率還很低。二氧化碳雷射光切割工藝也只適用於對普通玻璃和鋼化程度較低的玻璃進行切割，切割後同樣需要裂片工序，對於內部封閉區域也無法加工。

因此，對於金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime) 及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃，目前的各種加工方法都不能實現有效穩定的異形切割，仍需要將未鋼化的玻璃切割研磨後再進行鋼化處理，造成效率極低。

雷射光切割技術指的是以雷射光束為熱源，採用熱去除方法實現材料的分離，從而形成切割道的材料加工方法。具體而言，雷射光束被聚焦在材料表面，使得材料表面溫度急劇升高而達到材料的蒸發氣化狀態，從而實現材料的去除。這其中包含了材料對光束能量的吸收和材料中的熱傳導過程。在此過程中，材料被加熱發生急劇氣化的過程，主要取决於雷射光與材料作用的時間和雷射光光束的强度。

隨著手機、平板電腦等電子顯示行業的持續增長，需要大量的金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃作為高端應用的製造材料，而上述傳統加工方式已經無法滿足這樣的需求。因此，特別需要一種突破傳統的對金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃進行異形加工的方法和裝置。雖然雷射光作為現代工業中先進的加工手段，越來越受到各個行業的重視，通過雷射光來實現玻璃切割的可行性和實用性也得到越來越多的驗證，但是目前還沒有一種能以高效率、高質量和高精度對金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)鋼化玻璃進行異形切割的裝置和工藝方法。

因此，本發明的一個目的在於提供一種利用超短脈衝的雙光路雷射光在金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃的兩面進行異形切割的裝置和方法。利用這樣的裝置和方法，能夠克服傳統玻璃加工工 藝中存在的效率較低，無法對上述金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃進行異形加工的缺點。而且，運用高頻超短雷射脈衝光器對金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)未鋼化及鋼化後的玻璃進行加工時，通過在玻璃兩面同時進行切割，可保證切割時玻璃兩面的應力平衡，從而提高切割的穩定性，並能顯著改善切割邊緣的效果。

本發明提出了一種所謂“雙光路”的超短雷射脈衝光的光路聚焦及掃描系統，其能夠實現對加工對象物(如金剛玻璃、鈉鈣玻璃及升龍玻璃等透明材料)從兩面同時進行切割，從而獲得對金剛玻璃、鈉鈣玻璃及升龍玻璃進行的高效穩定的加工。

總的來說，本發明的利用雷射光切割加工對象物(在本發明的實施例中為透明材料)的裝置主要包括具有產生雷射光束的雷射光器的雷射光源部分，利用光學掃描聚焦系統以雙光路從兩面上對工件進行加工的雷射光光路部分，以及夾持和移送工件的雷射光加工部分。另外，本發明的裝置還可包括吹氣系統和集塵系統，用於去除和收集利用雷射光切割透明材料的過程中產生的殘渣。

本發明的利用雷射光切割透明材料的加工過程可簡述為以下步驟：

1、利用兩個光路分別對雷射光器發出的雷射光(優選為超短雷射脈衝光)進行光學聚焦，將雷射光分別聚焦在透明材料兩側的表面上。在此可以最優化的方式高效運用雷射光器的 能量，從而提高加工效率。

2、利用光學掃描聚焦系統，使雷射光束運動加工出所需要的圖形，並使兩路雷射光的焦點從透明材料外側向內部移動。一段時間後，當焦點移動到透明材料中間的某一交會位置時，透明材料被完全分割。

3、在切割加工過程中，可以輔以吹氣、集塵裝置，以便及時將切割殘渣去除，從而獲得高質量、高效率的加工效果。

儘管本說明書在下文中以具體實施方式對本發明作了示例性的說明，但本發明的具體發明內容和保護範圍應由說明書所附的權利要求書來限定。

具體而言，本發明提出了一種利用雷射光切割加工對象物的方法，包括：提供第一雷射光束和第二雷射光束；將第一雷射光束聚焦於加工對象物的第一側的表面上，由此對第一側的表面進行切割；將第二雷射光束聚焦於加工對象物的與所述第一側相反的第二側的表面上，由此對第二側的表面進行切割；使第一雷射光束和第二雷射光束的焦點同時向加工對象物的內部移動，由此在加工對象物的內部形成相應的切割區；當第一雷射光束和第二雷射光束在加工對象物的內部形成的切割區交會時使加工對象物被分割開。

在本發明中，第一雷射光束和第二雷射光束可以是由一雷射光源將其發出的雷射光束經光學系統調製成兩路雷射光而產生的。

本發明的雷射光源可以是超短雷射脈衝光器，優選為波長範圍為266-1064nm的奈秒、皮秒或飛秒雷射光器。

在一種實施例中，上述加工對象物為金剛玻璃、鈉鈣玻璃、升龍玻璃等透明材料。

根據本發明的優選實施例，第一雷射光束與第二雷射光束相對於加工對象物大體上同軸布置。

根據本發明的優選實施例，第一雷射光束與第二雷射光束以規定間隔由加工對象物的外側向其內部逐層地對加工對象物進行切割。

本發明還提出了一種利用雷射光切割加工對象物的裝置，包括：雷射光源部分，包括產生雷射光束的雷射光器；雷射光光路部分，用於將由雷射光器產生的雷射光束分成第一雷射光束和第二雷射光束，並將第一雷射光束和第二雷射光束分別聚焦在待切割的加工對象物兩側的表面上，使第一雷射光束和第二雷射光束運動加工出所需要的圖形，並通過將第一雷射光束和第二雷射光束的焦點向加工對象物的內部移動到一交會處使加工對象物被分割開；雷射光加工部分，其包括夾持加工對象物的夾具以及使加工對象物在加工後被移出的移送系統。

在本發明的裝置中，雷射光器優選是波長範圍為266-1064nm的奈秒、皮秒或飛秒雷射光器。

在一種實施例中，本發明的裝置中的雷射光光路部分包括光學掃描聚焦系統，其使第一雷射光束和第二雷射光束運動加工出所需要的圖形，並通過將第一雷射光束和第二雷射光束的焦點向加工對象物的內部移動到交會處。

根據本發明的優選實施例，光學掃描聚焦系統包括3D動態掃描聚焦鏡和3D動態聚焦振鏡。

根據本發明的優選實施例，本發明的裝置還包括吹氣系統和集塵系統，用於去除和收集利用雷射光切割加工對象物的過程中產生的殘渣。

在一種實施例中，本發明的裝置切割的加工對象物為金剛玻璃、鈉鈣玻璃、升龍玻璃等透明材料。

本發明的利用超短脈衝的雙光路雷射光對工件進行雙面切割的工藝與傳統加工方法相比具有許多獨到之處：

(1)本發明工藝的加工範圍不受材料物理、機械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料。

(2)本發明的工藝易於加工複雜型面和微細表面。

(3)本發明的工藝易於獲得良好的切割截面質量，同時切割碎屑污染，熱應力、殘餘應力、冷作硬化、熱影響區等均比較小。

(4)利用本發明的工藝能夠在封閉區域進行鋼化玻璃的異形切割，並能獲得極高的穩定性。

(5)本發明的雷射光切割裝置中的3D動態掃描聚焦鏡和雙光路系統能大幅提升加工效率。

(6)利用本發明的工藝，使得各種加工方法易於複合形成新的工藝方法，便於推廣應用。

總的來說，在本發明的利用雷射光對加工對象物(例如金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃等透明材料)進行切割的裝置中，使用了超短雷射脈衝光器。優選地，該超短雷射脈衝光器可以是波長範圍為266-1064nm的奈秒及皮秒、飛秒雷射光器。由於超短雷射脈衝光的脈衝周期短於絕大多數化學和物理反應，比如機械和熱力學的特徵時間等，而其峰值功率又極高，所以在超短雷射脈 衝光與物質的相互作用中會產生獨特的多光子吸收過程，使得其加工精度可以突破相干極限的瓶頸，從而使奈米加工和相應微/奈電子、微/奈光學的許多構想成為可能。利用超快雷射脈衝光序列，還可以控制電離過程、選擇性地電離原子、控制分子中基態轉動等。

利用本發明的雷射光加工裝置可以對金剛玻璃、鈉鈣玻璃、升龍玻璃等未鋼化及鋼化玻璃等透明材料進行穩定有效的加工及切割。總體來看，本發明的雷射光加工裝置可生成兩束超短雷射脈衝光，並且可利用雷射光加工裝置的光學掃描聚焦系統將兩束超短雷射脈衝光分別聚焦在透明材料(如金剛玻璃、鈉鈣玻璃、升龍玻璃等未鋼化及鋼化玻璃)的兩側。為實現精確穩定的切割，並保證切割時玻璃兩面的應力平衡，分別聚焦在玻璃兩側的兩個超短雷射脈衝光束同軸布置。另外，可以利用特定間隔和特定順序逐層對透明材料進行切割。對於不同的透明材料厚度，可形成合適的切割間隔。通過將兩束超短雷射脈衝光的焦點由透明材料的表面向透明材料內部運動，使得在透明材料的兩面同時進行加工和/或切割。當兩束超短雷射脈衝光的焦點交會於透明材料中間的某一位置時，透明材料被完全切穿，從而實現切割透明材料的目的。

圖1中示出了根據本發明的利用超短脈衝的雙光路雷射光對鋼化玻璃進行雙面切割的裝置的一個實施例。

本發明的雷射光加工裝置包括雷射光源部分、雷射光光路部分和雷射光加工部分。如上所述，由於超短雷射脈衝光器本身作為加工雷射光的技術優勢，本發明雷射光加工裝置的雷射光源部分優選包括的是超短雷射脈衝光器1。該超短雷射脈衝光器可以是波長範圍為266-1064nm的奈秒及皮秒、飛秒雷射 光器。

本發明的雷射光加工裝置的雷射光光路部分的作用是將由超短雷射脈衝光器1產生的雷射光束分成兩路雷射光束，並通過雷射光聚焦系統將這兩路雷射光束分別聚焦在待切割加工的工件(在本實施例中例如是金剛玻璃、鈉鈣玻璃或升龍玻璃等鋼化玻璃)的兩側的表面上。如圖1所示，根據本實施例，雷射光光路部分可包括光閘2、格蘭棱鏡衰减模組3、擴束鏡4、光欄5、45度半反半透鏡6、45度全反射鏡7、3D動態掃描聚焦鏡8和3D動態聚焦振鏡11。如在以下描述的，通過這些光學器件，可將由超短雷射脈衝光器1產生的雷射光束分成兩路雷射光束，並將這兩路雷射光束分別聚焦在待切割加工的鋼化玻璃兩側的表面上。如圖1所示，為實現精確穩定的切割，並保證切割時玻璃兩面的應力平衡，分別聚焦在玻璃兩側的兩個超短雷射脈衝光束同軸布置。應該理解的是，上述雷射光光路的組成和布置只是為了便於說明本發明給出的示例，本領域技術人員可根據實際情况採用不同的設計，只要在待加工的對象物的兩側表面上分別使雷射光束聚焦，並如下所述在後續步驟中使兩束雷射光的焦點移動到加工對象物中的交會處即可。

具體來看本發明的雷射光加工裝置的工作。首先，超短雷射脈衝光器1發出的雷射光利用電動光閘2來控制雷射光的開關，其優選可以由相應的軟件控制感應信號來控制光閘2的開啟和關閉，從而實現雷射光器1的外部控制雷射光開關。光閘2控制雷射光開關後經過格蘭棱鏡衰减模組3，提高雷射光的穩定性和光束質量。此後雷射光經擴束鏡4對光束進行同軸擴束，這一方面能改善光束傳播的發散角，達到光路準直的目 的，另一方面可以控制雷射光最終聚焦光斑的大小，以得到理想的光斑大小，進而實現利用雷射光穩定切割的目的。光欄5可以將雷射光邊緣質量不好的光去除，以便進一步提高雷射光束的質量。光束經一片45度半反半透鏡6和45度全反射鏡7後，形成垂直改向的兩個光路。這兩路光束經過其對應的3D動態掃描聚焦鏡8和3D動態聚焦振鏡11分別聚焦在鋼化玻璃兩側的表面上。

本發明雷射光加工裝置的控制系統可將要切割的圖形轉化為數字信號，然後驅動3D動態聚焦振鏡11中的反射鏡片對該圖形進行掃描加工。在3D動態聚焦振鏡11上可設置同軸CCD 10，以便在加工開始前對工件進行精確定位。例如，其可利用校準程序偵測工件上的定位標誌，計算補償值，實現切割圖形和實際切割道的精確匹配，並且在加工時也能實時觀察加工進程和效果。

本發明的雷射光加工裝置還可包括吹氣系統9和平臺集塵系統14。加工開始後，吹氣系統9可在工件上進行雷射光加工的部位處引入氣體，從而將切割出的材料殘渣吹除，被吹除的殘渣可由平臺集塵系統14收集。此外，吹氣系統9對工件上進行雷射光加工的部位進行吹氣也可以起到冷却效果，從而提高切割質量。

在加工過程中，利用3D動態掃描聚焦鏡8可自動將兩路雷射光束的聚焦點移動，使其同時由外而內地切割鋼化玻璃。這樣，當鋼化玻璃兩面的雷射光束的聚焦點都移動到玻璃中間的某個位置處時，玻璃就被完全切穿，實現了鋼化玻璃13的切割。利用本發明的上述從工件的兩面同時對工件進行切割的加工工藝，既能保證鋼化玻璃兩面的應力平衡，使鋼化玻璃不 會在切割過程中破裂，也能提高鋼化玻璃兩側表面上的切割質量。

當在鋼化玻璃13上加工完一個單元後，3D動態聚焦振鏡11可移動到下一個加工位置，進而依次將全部單元切割完成。在本發明的該實施例中，雷射光加工裝置的雷射光加工部分可包括夾具12，用於夾持鋼化玻璃13，以保證鋼化玻璃13的平整度和整體的均勻受力。在加工完成後，可利用平臺集塵系統14帶動夾具12退出加工區域，完成下料後繼續一片新材料的加工。當然，也可以採用其它專門的移送系統將夾具12退出加工區域，並非必須使用本實施例的平臺集塵系統14。

以上參照附圖並結合具體實施方式對根據本發明的利用超短脈衝雙光路雷射光對工件在兩面進行切割的裝置和方法作了詳細說明。應該理解的是，上述具體實施例只是用來說明本發明的優選實施方式，並非用來限制本發明的保護範圍。例如，雖然在上述實施例中以未鋼化或鋼化的金剛玻璃、鈉鈣玻璃或升龍玻璃等鋼化玻璃作為待切割的工件的例子對本發明的裝置和方法作了說明，然而能夠理解，本發明的方法和裝置同樣也能適用於其它透明材料的切割，並不限於實施例中提及的金剛玻璃、鈉鈣玻璃或升龍玻璃等鋼化玻璃。如前所述，本發明的方法和裝置甚至還能適用於加工各種硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料。再如，雖然在上述實施例中，在工件兩面上分別實現聚焦和加工的兩個雷射光束是利用一個雷射光源通過特定光學系統產生的。然而，本領域技術人員可以理解，也可以採用兩個獨立的雷射光源分別發射在工件兩面上聚焦加工的雷射光束，同樣也能夠實現本發明的目的，也屬於本發明的保護範圍。因此，本領域技術人員在閱讀 本說明書和附圖之後能夠想到的其它變形例都應在本發明的保護範圍之內。而本發明的具體保護範圍應由本說明書所附的權利要求來限定。

1‧‧‧超短雷射脈衝光器

2‧‧‧光閘

3‧‧‧格蘭棱鏡衰减模組

4‧‧‧擴束鏡

5‧‧‧光欄

6‧‧‧45度半反半透鏡

7‧‧‧45度全反射鏡

8‧‧‧3D動態掃描聚焦鏡

9‧‧‧吹氣系統

10‧‧‧同軸CCD

11‧‧‧3D動態聚焦振鏡

12‧‧‧夾具

13‧‧‧鋼化玻璃

14‧‧‧平臺集塵系統

圖1為根據本發明的利用超短脈衝的雙光路雷射光對鋼化玻璃進行雙面切割的裝置的示例性圖示。

1‧‧‧超短雷射脈衝光器

2‧‧‧光閘

3‧‧‧格蘭棱鏡衰减模組

4‧‧‧擴束鏡

5‧‧‧光欄

6‧‧‧45度半反半透鏡

7‧‧‧45度全反射鏡

8‧‧‧3D動態掃描聚焦鏡

9‧‧‧吹氣系統

10‧‧‧同軸CCD

11‧‧‧3D動態聚焦振鏡

12‧‧‧夾具

13‧‧‧鋼化玻璃

14‧‧‧平臺集塵系統

Claims (15)

1. 一種利用一雷射光切割一加工對象物的方法，包括：提供一第一雷射光束和一第二雷射光束；將該第一雷射光束聚焦於該加工對象物的一第一側的表面上，由此對該第一側的表面進行切割；將該第二雷射光束聚焦於該加工對象物的與該第一側相反的一第二側的表面上，由此對該第二側的表面進行切割；使該第一雷射光束和該第二雷射光束的一焦點同時向該加工對象物的一內部移動，由此在該加工對象物的該內部形成相應的切割區；以及當該第一雷射光束和該第二雷射光束在該加工對象物的該內部形成的一切割區交會時，使該加工對象物被分割開。
2. 如請求項1所述的方法，其中該第一雷射光束和該第二雷射光束是由一雷射光源將其發出的一雷射光束經一光學系統調製成兩路雷射光而產生的。
3. 如請求項2所述的方法，其中該雷射光源為一超短雷射脈衝光器。
4. 如請求項3所述的方法，其中該超短雷射脈衝光器是一波長範圍為266-1064nm的一奈秒、一皮秒或一飛秒雷射光器。
5. 如請求項1所述的方法，其中該加工對象物為一透明 材料。
6. 如請求項5所述的方法，其中該透明材料為金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)或升龍玻璃(Dragontrail)。
7. 如請求項1所述的方法，其中該第一雷射光束與該第二雷射光束相對於該加工對象物同軸布置。
8. 如請求項1所述的方法，其中該第一雷射光束與該第二雷射光束以一規定間隔由該加工對象物的外側向其內部逐層地對該加工對象物進行切割。
9. 一種利用一雷射光切割一加工對象物的裝置，包括：一雷射光源部分，包括產生一雷射光束的一雷射光器；一雷射光光路部分，用於將由該雷射光器產生的該雷射光束分成一第一雷射光束和一第二雷射光束，並將該第一雷射光束和該第二雷射光束分別聚焦在待切割的該加工對象物兩側的表面上，使該第一雷射光束和該第二雷射光束運動加工出所需要的一圖形，並通過將該第一雷射光束和該第二雷射光束的一焦點向該加工對象物的一內部移動到一交會處使該加工對象物被分割開；以及一雷射光加工部分，其包括適於夾持該加工對象物的一夾具以及使該加工對象物在加工後被移出的一移送系統。
10. 如請求項9所述的裝置，其中該雷射光器是一波長範圍為266-1064nm的奈秒、皮秒或飛秒雷射光器。
11. 如請求項9所述的裝置，其中該雷射光光路部分包括一光學掃描聚焦系統，其使該第一雷射光束和該第二雷射光束運動加工出所需要的該圖形，並通過將該第一雷射光束和該第二雷射光束的該焦點向該加工對象物的該內部移動到該交會處。
12. 如請求項11所述的裝置，其中該光學掃描聚焦系統包括一3D動態掃描聚焦鏡和一3D動態聚焦振鏡。
13. 如請求項9所述的裝置，還包括一吹氣系統和一集塵系統，用於去除和收集利用該雷射光切割該加工對象物的過程中產生的一殘渣。
14. 如請求項9所述的裝置，其中該加工對象物為一透明材料。
15. 如請求項9所述的裝置，其中該透明材料為金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)或升龍玻璃(Dragontrail)玻璃。