用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀脆硬材料的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀脆硬材料的方法，包括下列步骤：提供第一激光辐射并且借助于第一激光辐射沿着去蚀脆硬材料的去蚀路径照射脆硬材料；以及提供第二激光辐射并且借助于第二激光辐射沿着所述去蚀路径照射脆硬材料，其中第一激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射之一并且第二激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射中另一。本发明专利技术还涉及一种相应的系统。利用所述方法或系统，可以以较低成本实现高的加工精度并同时实现高的加工效率，尤其是在加工曲线以及曲面路径时也能实现这些上述优点。

Method and system for removing brittle material by cold laser radiation and thermal laser radiation

The invention relates to a method for using in cold laser radiation and laser radiation to heat corrosion of hard and brittle material, which comprises the following steps: providing a first laser radiation and the first laser radiation to erosion along the hard brittle materials to resist brittle materials and radiation path; second laser radiation and with the help of second laser radiation along the path to resist irradiation of hard and brittle material, wherein the first laser radiation is one of the hot and cold laser radiation of laser radiation and second laser radiation is cold laser radiation and thermal radiation in a laser. The invention also relates to a corresponding system. By using the method or system, high machining accuracy can be achieved at low cost and high machining efficiency can be achieved, especially when machining curves and curved paths.

【技术实现步骤摘要】
用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀脆硬材料的方法和系统
本专利技术总体上涉及激光加工领域，具体而言涉及用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀脆硬材料的方法和系统。
技术介绍
激光加工由于其精准性以及极小的加工器具磨损而被越来越普遍地使用。近年来，随着手机、平板计算机等大屏幕设备的兴起，激光加工被越来越多地加工诸如薄玻璃之类的脆硬材料。激光加工技术可分为冷激光加工技术和热激光加工技术。冷激光是指激光脉冲宽度在10皮秒以下或甚至飞秒级别的激光辐射，其中冷激光加工技术所基于的原理是，借助于冷激光辐射烧蚀靶材以产生高温高压等离子体，但是形成等离子体的照射时间小于为了将入射脉冲能量传递到周边材料所需的照射时间，使得不会引起热扩散效应。例如名称为“激光切割玻璃的方法”的中国专利申请CN103964682A就公开了一种这样的冷激光加工技术，其中脉宽在皮秒至飞秒范围的激光器产生的激光束经聚焦处理后入射至待切割的玻璃工件内，激光束与玻璃工件按预先设定的路径做相对移动，使焦点在玻璃工件的内部形成由多个微裂点沿激光束扫射的路径组成的切割层，最后施加外力于玻璃工件以使玻璃工件沿路径撕开。而热激光是指连续波激光或者脉冲宽度高于10皮秒的激光辐射，其中热激光加工技术所基于的原理是，热激光辐射被聚焦到要加工的材料上，使得要么该材料直接吸收热激光辐射的能量，要么热激光辐射烧蚀靶材以产生高温高压等离子体，并且由于在热激光的情况下，形成等离子体的照射时间大于为了将入射脉冲能量传递到周边材料所需的照射时间，因此会在材料中引起热扩散效应而产生热，其中所产生的热被用于熔化材料或在材料中产生热应力。例如名称为“激光加工方法和激光加工设备”的中国专利申请CN102814591A公开了一种这样的热激光加工技术，其中将激光入射到加工物的表面上并且附近聚光使得聚光点附近的加工物气化或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，然后在之前的热去除区上继续照射激光并聚光，使得聚光点附近的加工物气化或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线。鉴于热激光加工技术会在加工过程中产生大量的热或热应力，从而易于产生过量或偏离的烧蚀或者出现不期望的热应力，因此热激光加工技术的加工过程难于控制且加工精度不高，因而目前较普遍的做法是将热激光加工技术与机械分离技术相结合以降低热激光的使用量，或者在热激光加工过程中采用液体快速冷却技术以对抗所产生的热或热应力，但这显著增加了工艺复杂度和工艺成本。此外，热激光加工技术由于所产生的大量的热应力而难以以高精度加工脆硬材料，因为这些热应力易于在脆硬材料中造成不期望的微裂缝，从而直接导致加工过程中脆硬材料的破裂或加工后脆硬材料在使用过程中的极易破裂。冷激光加工技术由于在加工过程中不产生或产生极少热或热应力而更适于加工脆硬材料。但是由于冷激光都是脉冲激光，如果冷激光脉冲停留于加工件的某个特定位置附近的时间过长，则冷激光加工技术在加工件中产生累积的热同样也会产生不可忽视的热应力。因此为了减少冷激光加工中的热累积效应，通常在时间域和/或空间域减少冷激光脉冲的间隔，和/或直接降低冷激光的脉冲能量。但是采用该方法减少冷激光加工中的热累积效应会降低加工效率和加工质量，尤其是切割曲线路径(例如曲率半径小于10毫米)时难以控制脆硬材料沿切割曲线路径分离/分裂。在切割曲线路径时，切割速度必须大大降低以控制脆硬材料沿切割曲线路径分离/分裂。但是大大降低的切割速度同时将增加热累积及因此产生的热应力，难以保证切割面的质量。
技术实现思路
本专利技术的任务是，提供一种用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀(例如裁切、刮削或钻孔)脆硬材料的方法和系统，利用所述方法或系统，可以以较低成本实现高的加工精度并同时实现高的加工效率和加工质量，尤其是在加工曲线以及曲面路径时也能实现这些上述优点。在本专利技术的第一方面，该任务通过一种用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀脆硬材料的方法来解决，该方法包括下列步骤：提供第一激光辐射并且借助于第一激光辐射沿着去蚀脆硬材料的去蚀路径照射脆硬材料；以及提供第二激光辐射并且借助于第二激光辐射沿着所述去蚀路径照射脆硬材料，其中第一激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射之一并且第二激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射中另一。根据本专利技术的该方法所基于的原理是，通过用冷激光沿着去蚀路径照射脆硬材料，使得脆硬材料在去蚀路径物理的部分的强度被弱化，另一方面，通过用热激光沿着去蚀路径照射脆硬材料，使得在脆性材料中产生热应力，当该热应力达到一定阈值时，脆性材料将在热应力的作用下发生分裂/分离。在此应当指出，施加冷激光和热激光的时间顺序可以是可选择的，即既可以先施加冷激光、再施加热激光，也可以先施加热激光、在施加冷激光，还可以同时施加冷激光和热激光，这是因为通过冷激光对材料的弱化和通过热激光产生的热应力根据材料的不同有可能随时间变化，因此冷激光和热激光的施加顺序可以根据工艺需要选择决定。另外，施加冷激光和热激光的空间顺序也可以是可选择的，即既可以将冷激光置于热激光之后，也可以将热激光置于冷激光之后，还可以使二者至少部分重合。通过本专利技术使用冷激光和热激光二者来去蚀脆硬材料，至少能够实现以下优点：(1)提高加工精度并减少材料损伤，因为与纯粹的热激光加工方法相比在本专利技术的方法中产生更少的热和热应力，从而避免了多余和不期望的烧蚀以及不期望的微裂缝生成，而且由于利用热激光产生的热应力来分离脆硬材料而不需要任何机械分离步骤，可以避免机械分离步骤带来的材料损伤；(2)提高加工效率，因为与纯粹的冷激光加工方法相比，在本专利技术的方法中通过利用热激光产生的热应力来分离脆硬材料，可以与依靠脉宽极短的冷激光分离材料相比更加迅速有效地去蚀材料；(3)降低加工成本，因为根据本专利技术的方法取消了机械分离步骤，也不需要附加的冷却装置，而且控制流程相对简单快速与高效。在本专利技术的一个扩展方案中规定，冷激光辐射是脉冲宽度在10皮秒以下的激光辐射，并且热激光辐射是连续激光辐射或者脉冲宽度高于10皮秒的激光辐射。此外，将飞秒激光用作冷激光也是可设想的。在本专利技术的另一扩展方案中规定，第一激光辐射和第二激光辐射由同一激光器或不同激光器来提供。第一激光辐射和第二激光辐射可以具有不同波长。在第一激光辐射和第二激光辐射由同一激光器来提供的情况下，该激光器通过改变激光器的脉冲时长来在冷激光辐射和热激光辐射之间切换。通过使用单个激光器，可以降低成本。但是使用不同激光器来分别提供冷激光辐射和热激光辐射也是可设想的。在本专利技术的一个优选方案中规定，第一激光辐射是冷激光辐射，并且第二激光辐射是热激光辐射，其中该方法还包括：将第一激光辐射和/或第二激光辐射入射到脆硬材料的作用面上以形成非圆形光斑，其中从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看，非圆形光斑的长度方向与所述去蚀路径重合。通过该优选方案，能够在脆硬材料上(表面及内部)产生最大化的能促进脆硬材料沿去蚀路径开裂的热应力和微裂纹，同时避免或显著减小影响产品品质的热应力和微裂纹的产生，从而显著提高经加工的脆硬材料的品质并提高加工效率和加工精度。这是因为，通过根据本专利技术利用冷或热激光束的非圆形光斑切割脆硬材料并使非圆形光斑的长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀脆硬材料的方法，包括下列步骤：提供第一激光辐射并且借助于第一激光辐射沿着去蚀脆硬材料的去蚀路径照射脆硬材料；以及提供第二激光辐射并且借助于第二激光辐射沿着所述去蚀路径照射脆硬材料，其中第一激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射之一并且第二激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射中另一。

【技术特征摘要】
1.一种用于借助于冷激光辐射和热激光辐射去蚀脆硬材料的方法，包括下列步骤：提供第一激光辐射并且借助于第一激光辐射沿着去蚀脆硬材料的去蚀路径照射脆硬材料；以及提供第二激光辐射并且借助于第二激光辐射沿着所述去蚀路径照射脆硬材料，其中第一激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射之一并且第二激光辐射是冷激光辐射和热激光辐射中另一。2.根据权利要求1所述的方法，其中冷激光辐射是脉冲宽度在10皮秒以下的激光辐射，并且热激光辐射是连续激光辐射或者脉冲宽度高于10皮秒的激光辐射。3.根据权利要求1所述的方法，其中第一激光辐射和第二激光辐射由同一激光器或不同激光器来提供。4.根据权利要求1所述的方法，其中第一激光辐射是冷激光辐射，并且第二激光辐射是热激光辐射，其中该方法还包括：将第一激光辐射和/或第二激光辐射入射到脆硬材料的作用面上以形成非圆形光斑，其中从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看，非圆形光斑的长度方向与所述去蚀路径重合。5.根据权利要求1所述的方法，其中第一激光辐射是冷激光辐射，并且第二激光辐射是热激光辐射，其中借助于第一激光辐射沿着去蚀脆硬材料的去蚀路径照射脆硬材料包括：借助于第一激光辐射沿去蚀路径在脆硬材料中产生多个在脆硬材料的厚度方向上不连续的缺陷，其中所述缺陷定义切割线或切割面。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述脆硬材料是下列各项之一：玻璃以及蓝宝石。7.根据权利要求1所述的方法，其中第一激光辐射在时间上和/或空间上处于第二激光辐射之前或之后，或者与第二激光辐射至少部分地重合。8.一种用于借...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭翔，彭娟，
申请(专利权)人：彭翔，彭娟，
类型：发明
国别省市：湖南,43