TWI715548B - 硬脆材料的雷射切割方法及雷射切割機與雷射切割機的光學系統 - Google Patents

Abstract

本發明係一種硬脆材料的雷射切割方法，特別係一種降低硬脆材料發生崩邊現象的雷射切割方法，主要係在雷射切割機的光學系統中使用一偏極化光學元件對雷射光源進行光束整型改質，透過光束整型改質方法將高斯分佈的雷射光束改型成一貝索分佈的雷射光束，其效果可以減少雷射光束能量過度集中分佈所造成被加工材料在聚焦點與其周邊之間的溫度差異，以降低因熱應力所產生崩邊現象。

Description

硬脆材料的雷射切割方法及雷射切割機與雷射切割機的光 學系統

本發明係為一種硬脆材料的雷射切割方法，特別係一種降低硬脆材料發生崩邊現象的雷射切割方法。

近年來雷射切割技術已經普遍的被用來切割發光二極體基板、藍寶石基板或強化玻璃等硬質透明材料。

雷射切割技術係透過雷射光聚焦於被加工材料上產生局部的熱熔破壞，被加工材料在經過雷射光的線性掃描後產生連續性的破壞割痕，再以機械裂片方式將被加工材料切割分離。

雷射切割機，主要包括一雷射光源、一雷射光學系統及一線性掃描運動機構。

其中雷射光源主要係提供一高能雷射光束，雷射光源可以是不同波長的高能雷射光源裝置(例如皮秒雷射，飛秒雷射等)，雷射切割機通常還須要使用一能量控制器，用以調控雷射光束的能量大小。

其中雷射光學系統主要係調控雷射光束成可加工的高能雷射光點，其透過包括複數光學透鏡或元件等的雷射光束調控模組將雷射光源的雷射光束調控成可以聚焦於被加工物表面的高能雷射光點，其中雷射光束調控模組通常會包括有擴束鏡、反射鏡組、曲面鏡及物鏡光學元件等， 其中擴束鏡係將雷射光源的雷射光束擴大成較大直徑的雷射光束，反射鏡組則用於改變雷射光束的光徑，曲面鏡及物鏡組合則調整雷射光束的焦點及其景深等聚焦效果。

其中線性掃描運動機構主要係使高能聚焦的雷射光束得以線性運行於被加工物各處表面的裝置，可以是固定雷射光學系統中物鏡位置，而移動X-Y工作台上的被加工物，或者是固定工作台上的被加工物，而移動雷射光學系統中物鏡位置，移動物鏡的方法通常可以由調整雷射光束調控模組中反射鏡組的位置與角度而達成。

一般的雷射光源的光強分佈為一高斯分佈，其特徵是雷射光中心點的光強度遠高過於其周邊，雷射光源的能量極度的集中於中心點的小範圍。

對於具有高熱傳導性、延展性的金屬材料，進行雷射切割加工時高斯分佈的雷射光束能量集中金屬材料的被加工物上並不會在聚焦點上的材料與其周邊材料產生過度的溫度差異，因而不會發生加工材料的崩裂現象，因此可以盡量提高雷射光源的能量加快雷射切割的加工效率。

對於陶瓷、玻璃或單晶等低熱傳導性又硬質的非金屬材料，能量過度集中分佈的雷射光則在聚焦點材料與其周邊材料產生相當的溫度差異，因而產生相當熱應力，其中熱應力則進而產生崩邊現象，崩邊現象則使得切割面不平整或切割面破裂，不平整或破裂切割面是習用雷射切割技術運用於硬脆非金屬材料時加工品質低劣或不穩定的原因。

對於切割非金屬材料，有些雷射切割方法是透過降低雷射光源的能量以便減少雷射破壞範圍，或以多次來回加工的方式來避免切割 面不平整或破裂，雖然可以降低加工材料產生硬脆崩邊結果，但是如此一來卻明顯會降低切割加工效率。

為了改進習用雷射切割非金屬材料所發生的加工品質低劣或不穩定的原因，本發明提供一種雷射切割方法，特別是一種降低硬脆材料發生崩邊現象的雷射切割方法，主要係在雷射切割機的光學系統中對雷射光源進行光束整型改質，透過光束整型改質方法將高斯分佈的雷射光束改型成一貝索分佈的雷射光束，其效果可以減少雷射光束能量過度集中分佈所造成被加工材料在聚焦點與其周邊材料之間的溫度差異，降低因熱應力所產生崩邊現象。

本發明提供一種雷射切割機，包括一雷射光源、一雷射光束調控模組及一線性掃描運動機構，其中雷射光束調控模組中使用一偏極化光學元件，透過該偏極化元件將該雷射光束形成一偏極化雷射光束，其中該偏極化光學元件係選自一偏極化錐鏡，透過該偏極化錐鏡將高斯分佈的雷射光束轉換成光強度較均勻的偏極化貝索光束，減少雷射光束能量過度集中分佈於中心點，因而造成加工材料在聚焦點與其周邊的加工界面產生溫度差異過大的問題，因而可以降低熱應力所產生崩邊的現象，其明顯利益是不必降低切割加工的效率又可提高切割加工的品質。

11:雷射光源裝置

12:能量控制器

13:雷射光束

21:擴束鏡

211:雷射光束

22:偏極化錐鏡

221:偏極化雷射光束

23:反射鏡組

24:曲面鏡

25:物鏡

251:雷射聚焦光束

3:被加工物件

第1圖係為本發明雷射切割機的光學系統的示意圖。

本發明實施例中，本發明提供一種雷射切割方法，其係使用包括下列裝置進行雷射切割程序：提供一雷射光源，及其光束的能量控制器；提供一雷射光學系統，其包括有擴束鏡、反射鏡組、曲面鏡及物鏡等光學元件的光束調控模組；以及提供一線性掃描運動機構，雷射切割程序中利用線性掃描運動機構，將該光學系統所產生的聚焦雷射光束循序掃描聚焦於被加工物表面上；其中光束調控模組中使用至少一偏極化錐鏡，透過該偏極化錐鏡將高斯分佈的雷射光束改型成一貝索分佈的雷射光束，同時將該雷射光束偏極化。

實施例中，本發明提供一種雷射切割機的光學系統，其包括一雷射光源及一雷射光束調控模組；其中雷射光源包括雷射光源裝置，及其雷射光束的能量控制器；其中雷射光束調控模組至少包括：一擴束鏡，其係用以擴大該雷射光束的直徑；一偏極化錐鏡，其係透過偏極化錐鏡將該雷射光束形成一偏極化雷射光束；一反射鏡組，其包括數反射鏡，係用以調控雷射光束的路徑；一曲面鏡，其係用以調整雷射光束的聚焦景深；以及一物鏡，其係用於聚焦該雷射光束，將雷射光束聚焦於被加工物件的表面上。

實施例中，進行雷射切割程序時使用包括下列裝置：一雷射光源，適用於切割發光二極體基板、藍寶石基板或強化玻璃等硬質透明材料的雷射光源包括有皮秒雷射或飛秒雷射等，習知的波長為266nm與 2000nm之間的雷射光源皆可被應用於切個割硬質透明的非金屬材料，本實施例使用波長為1064nm的飛秒雷射；一能量控制器，其係用以調控雷射光束的能量大小，雷射光束的能量大小則由切割程序的加工條件來決定；一雷射光學系統，其包括有擴束鏡、反射鏡組、偏極化錐鏡、曲面鏡及物鏡等光學元件的光束調控模組；其中擴束鏡，係利用一或複數透鏡組合以數倍增加方式將雷射光源的雷射光束擴束成較大直徑的雷射光束，較大直徑雷射光束的能量較為分散，可以避免傷害其後的光束調控光學元件；其中反射鏡組，係因應雷射切割機的空間有效利用問題要求而調整雷射光束的路徑，利用複數個反射鏡將雷射光源引導至輸出光束的物鏡上。此外，雷射光束可以耦合進入光纖，利用光纖對雷射光束進行傳輸，因此該反射鏡組亦可改由使用光纖模組。其中偏極化錐鏡，本實施例中使用一偏極化錐鏡，其目的係透過偏極化錐鏡的錐鏡結構將高斯分佈的雷射光束改型成一貝索分佈的雷射光束以避免能量集中分佈中心點，並透過偏極化錐鏡的偏極化光學效果將該雷射光束形成一偏極化雷射光束以調控能量分佈的方式，其中偏極化雷射光束的能量高點係圍繞於光學焦點的周圍而順序移轉形成環狀分佈，其效果尤其有助於降低光學焦點的中心與周圍之間的能量吸收效果的差異，因而可以有效減少其間的熱應力；其中曲面鏡及物鏡，係利用曲面鏡與物鏡的組合可以決定雷射光束的聚焦景深，對於不同的雷射切割加工操作條件則須使用不同聚焦景深的設計， 則調整曲面鏡與物鏡之間的距離以調整雷射光束的聚焦景深，物鏡則利用其聚焦功能將雷射光束聚焦於被加工物件的表面上；以及一線性掃描運動機構，藉由循序改變X座標與Y座標進行線性掃描，雷射切割程序中利用線性掃描運動機構，將該光學系統所產生的雷射光束循序掃描的聚焦於被加工物表面上，本實施例係採用將被加工物件固定於工作台上，僅線性掃描式的移動聚焦物鏡，藉由調整雷射光束調控模組中的反射鏡組的位置與角度，讓不同位置的物鏡皆能皆接到受雷射光束，因此循序移動雷射光學系統中物鏡位置可以讓雷射光束線性掃描聚焦於被加工物表面上。

請參閱圖一所示，該圖係為本發明雷射切割機的光學系統的實施例示意圖。本發明雷射切割機的光學系統係包括一雷射光源及一雷射光束調控模組，其中雷射光源包括一雷射光源裝置11及其能量控制器12，本實施例的雷射光源裝置11使用波長為1064nm的飛秒雷射，其雷射光源經過能量控制器12輸出一雷射光束13。

其中雷射光束調控模組係利用複數光學透鏡或光學元件所組成，其中雷射光束調控模組2至少包括：一擴束鏡21，其係用以擴大該雷射光束13的直徑，雷射光束13透過擴束鏡21形成雷射光束211，雷射光束211的光束直徑較大於雷射光束13；一偏極化錐鏡22，其係透過偏極化錐鏡22將該雷射光束211形成一偏極化雷射光束221；一反射鏡組23，其係因應雷射切割機的空間利用要求而調整雷射光束的路徑，利用複數個反射鏡將偏極化雷射光束221引導至輸出光束的物鏡上，此 外因應雷射切割機的空間設計需求，在擴束鏡21與偏極化錐鏡22之間亦可安排反射鏡組23來改變雷射光束的路徑；以及一曲面鏡24及一物鏡25，其組合係用以調整雷射輸出光束的焦距及聚焦景深，其中物鏡25將偏極化雷射光束221聚焦成雷射聚焦光束251，並且聚焦於被加工物件3的表面上。

11:雷射光源裝置

12:能量控制器

13:雷射光束

21:擴束鏡

211:雷射光束

22:偏極化錐鏡

221:偏極化雷射光束

23:反射鏡組

24:曲面鏡

25:物鏡

251:雷射聚焦光束

3:被加工物件

Claims (4)

1. 一種雷射切割機，包括一雷射光源、一雷射光束調控模組及一線性掃描運動機構，其中雷射光束調控模組中使用一偏極化光學元件以及一曲面鏡設置於該偏極化光學元件之後，透過該偏極化光學元件將雷射光源的雷射光束轉型成一能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束，因而減少雷射光束能量過度集中分佈所造成加工界面的溫度差異，因而降低熱應力所產生崩邊的現象，且該曲面鏡用以調整該能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束的聚焦景深。
2. 如申請專利範圍第1項的雷射切割機，其中該偏極化光學元件係選自一偏極化錐鏡。
3. 一種雷射切割方法，其係使用包括下列裝置進行雷射切割程序：提供一雷射光源，及其光束的能量控制器；提供一雷射光學系統，其包括有擴束鏡、反射鏡組、曲面鏡及物鏡的光束調控模組；以及提供一線性掃描運動機構，雷射切割程序中利用線性掃描運動機構，將該光學系統所產生的聚焦雷射光束循序掃描於被加工物表面上；其中光束調控模組中使用至少一偏極化錐鏡，設置於該曲面鏡之前，透過該偏極化錐鏡將高斯分佈的雷射光束轉型 成一貝索分佈的雷射光束，同時偏極化該雷射光束，以形成一能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束，且該曲面鏡用以調整該偏極化雷射光束的聚焦景深，而該物鏡用於聚焦該能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束，將該能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束聚焦於被加工物件表面上。
4. 一種雷射切割機的光學系統，其包括一雷射光源及一雷射光束調控模組；其中雷射光源包括一雷射光源裝置，及其雷射光束的能量控制器；其中雷射光束調控模組至少包括：一擴束鏡，其係用以擴大該雷射光束的直徑；一偏極化錐鏡，其係透過偏極化錐鏡將該雷射光束形成一能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束；一反射鏡組，其包括數反射鏡，係用以調控雷射光束的路徑；一曲面鏡，設置於該偏極化錐鏡之後，該曲面鏡用以調整該能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束的聚焦景深；以及一物鏡，設置於該曲面鏡之後，該物鏡用於聚焦該能量不集中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束，將該能量不集 中於中心的貝索分佈的偏極化雷射光束聚焦於被加工物件表面上。

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