用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法，包括下列步骤：将激光辐射入射到脆硬材料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激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合；以及沿着去蚀方向去蚀脆硬材料。借助于根据本发明专利技术的方法或装置能够在脆硬材料内产生能够提高切割效率的内应力或微裂纹，同时避免或显著减小影响产品品质的内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。

【技术实现步骤摘要】
用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法和装置
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激光辐射去蚀脆硬材料的方法和装置。
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。名称为“一种自动冷却激光切割机床”的中国专利申请CN201510516684.5公开了一种激光切割方法，其中利用激光的热效应沿切割路径加热材料并使其快速冷却，使得在材料中沿切割路径产生强撕裂内应力，从而使材料沿切割路径分离。然而，由于激光加工时的热效应以及之后的冷却处理，常常在材料中产生内应力、甚至裂纹，从而使得经加工的材料、尤其是脆硬材料易于产生脆裂等质量问题。此外，该方法也不适于切割曲线路径、尤其是曲率半径小于20毫米的路径。名称为“一种全自动激光划片设备”的中国专利申请CN201520297677公开了另一种激光切割方法，其中首先在借助于激光辐射在材料表面烧蚀划片，然后利用机械方法施加外力，使得材料沿激光烧蚀划片路径分离。该方法同样容易在材料中产生内应力、甚至裂纹，而且该方法也不适于切割曲线路径。名称为“用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法”的国际公开“WO2014/154337A3”公开了又一种激光切割方法，其中基于克尔效应在脆硬材料中自聚焦，使得在脆硬材料中造成高宽比极高的丝状烧蚀。但是，该方法仍然会造成内应力、甚至裂缝。而且，当切割曲线路径、尤其是曲率半径小于10毫米的曲线路径时，这些丝状烧蚀必须靠得很近，使得脆硬材料沿着去线切割路径分离，这显著增加了加工成本并降低了良品率。
技术实现思路
本专利技术的任务是，提供一种用于借助于激光辐射去蚀(例如裁切、刮削或钻孔)脆硬材料的方法和装置，其中借助于该方法或该装置能够在脆硬材料上(表面及内部)产生能够提高切割效率的内应力或微裂纹，同时避免或显著减小影响产品品质的内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。在本专利技术的第一方面，该任务通过一种用于借助于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：将激光辐射入射到脆硬材料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激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合；以及沿着去蚀方向去蚀脆硬材料。在此应当指出，“将激光辐射入射到脆硬材料上”应当广义地理解，其涵盖了将激光辐射入射到脆硬材料的表面上以及脆硬材料中这两种情况。该方法所基于的思想和优点如下。专利技术人独到地发现，在激光加工中通常使用的圆形激光束的各向同性将导致微裂纹随机产生。参见图1，沿着去蚀路径102前进的圆形激光光斑103将产生随机分布的微裂纹101，这些微裂纹101将随机地分布在各个方向上，使得微裂纹的方向将有极大的几率与切割或裂片方向不重合，因此在切割或划片完成后仍然残留在经加工的脆硬材料中，从而可能降低产品的强度和切割质量、甚至导致产品裂损；同时随机的微裂纹有可能使得分离方向偏离划片方向，使得难以尤其是沿曲线路径切割脆硬材料。同时，专利技术人还独到地发现，通过根据本专利技术利用激光束的非圆形光斑切割脆硬材料并使非圆形光斑的主轴与切割路径从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看重合，可以使非圆形光斑在脆硬材料中产生的非对称应力基本上沿切割方向分布，从而有利于最大限度的降低微裂纹沿切割方向以外的方向或划片方向以外的方向的产生及传播，进而精确控制裂片方向沿非对称应力施加方向传播。因此，利用根据本专利技术的方法，也可以精确控制脆硬材料的曲线去蚀。简言之，利用根据本专利技术的方法，能够在脆硬材料内产生能够加快切割效率的内应力或裂缝，同时避免或显著减小影响产品品质的内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。在本专利技术的一个扩展方案中规定，通过多轴联动来实现非圆形光斑的长度方向与去蚀方向的重合。通过多轴联动，可以较好地使非圆形光斑的长度方向与去蚀方向重合。在本专利技术的另一扩展方案中规定，非圆形光斑为下列各项之一：椭圆形光斑、矩形光斑、以及条形光斑。这些形状的光斑是易于通过常规光学手段产生的，因此可以以较低成本来实现。在本专利技术的一个优选方案中规定，非圆形光斑的长宽比大于或等于1.5。通过非圆形光斑的该长宽比，可以实现微裂纹更多地沿去蚀方向分布。在本专利技术的一个扩展方案中规定，非圆形光斑通过光路元件的非对称对准而产生。光路元件的非对称对准例如包括光路元件在光路上偏心布置、或者偏折。其它的非对称对准也是可以设想的。在本专利技术的另一扩展方案中规定，非圆形光斑借助于波束成形器件产生。波束成形器件可以位于激光加工设备的波束传播/传导路径中、在聚焦透镜或扫描振镜之前、或直接与聚焦透镜或扫描振镜集成。波束成形器件包括但不限于非圆形光学元件(空间滤波狭缝、单柱面镜、双柱面镜、变形棱镜等)、衍射光学元件、空间分束以及光栅。其它的波束成形器件也是可设想的。波束成形器件可以通过例如同步旋转来使非圆形光斑的长度方向与去蚀路径实时地保持重合。在本专利技术的另一扩展方案中规定，非圆形光斑通过组合和排列多个相同或不同的光斑而产生。例如，非圆形光斑可以借助于多个相同光斑(例如圆形光斑)的组合(例如线形排列)来实现，这种方式是易于实现的。在本专利技术的一个优选方案中规定，通过调整长宽比来调整在去蚀脆硬材料时在脆硬材料中产生裂纹的几率以及所产生的裂纹的空间分布。例如，大的长宽比将有利于微裂纹在去蚀方向上的分布，但是这将增加非圆形光斑的长度方向与去蚀方向重合的难度，因此可以根据加工精度要求和加工成本要求合适地选择所述长宽比。在本专利技术的一个扩展方案中规定，脆硬材料包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、大理石、以及花岗石。其它脆硬材料也是可设想的。在本专利技术的第二方面，前述任务通过一种用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的装置来解决，该装置包括：激光器，其被配置为发射激光辐射；光学器件，其被配置为对激光辐射进行引导，使得激光辐射入射到脆硬材料上形成的光斑为非圆形；以及移动装置，其被配置为移动激光器、光学器件和/或脆硬材料，使得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激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合。该装置所基于的原理及其优点参见针对该方法的说明。利用根据本专利技术的装置，同样能够在脆硬材料内产生能够加快切割效率的内应力或裂缝，同时避免或显著减小影响产品品质的内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。在本专利技术的一个优选方案中规定，非圆形光斑的长宽比大于或等于1.5。在本专利技术的一个扩展方案中规定，通过光学器件包括下列各项之一：波束成形器件、非对称地对准的光路器件、以及用于组合多个激光器的激光辐射以形成非圆形光斑的装置。波束成形器件可以通过例如同步旋转以使非圆形光斑的长度方向与去蚀路径实时地保持重合。在本专利技术的另一扩展方案中规定，通过移动装置包括下列各项之一：多轴联动装置、以及机器手臂。附图说明下面参考附图根据多个实施例来进一步阐述本专利技术。附图：图1示出了在根据现有技术采用圆形激光光斑去蚀脆硬材料时产生的微裂纹的分布；图2示出了在根据本专利技术的方法中所使用的非圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法，包括下列步骤：将激光辐射入射到脆硬材料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激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合；以及沿着去蚀方向去蚀脆硬材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法，包括下列步骤：将激光辐射入射到脆硬材料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激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合；以及沿着去蚀方向去蚀脆硬材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中通过多轴联动来实现非圆形光斑的长度方向与去蚀方向的重合。3.根据权利要求1所述的方法，其中非圆形光斑为下列各项之一：椭圆形光斑、矩形光斑、以及条形光斑。4.根据权利要求1或3所述的方法，其中非圆形光斑的长宽比大于或等于1.5。5.根据权利要求1所述的方法，其中非圆形光斑通过光路元件的非对称对准而产生。6.根据权利要求1所述的方法，其中非圆形光斑借助于波束成形器件产生。7.根据权利要求7所述的方法，其中波束成形器件通过同步旋转来使非圆形光斑的长度方向与去蚀路径实时地保持重合。8.根据权利要求1所述的方法，其中非圆形光斑通过组合和排列多个相同或不同的光斑而产生。9.根据权利要求1所述的方法，其中通过调整长宽比来...

【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