一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光加工应用技术领域，公开了一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置，该方法是采用超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，将两者同光轴合束得到贝塞尔合成激光束对透明脆性材料进行激光扫描，同时基于该贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分对透明脆性材料的烧蚀改性机理、以及连续激光部分的热应力切割分离机理，实现激光复合切割分离透明脆性材料。本发明专利技术通过对切割方法的切割原理、加工工艺流程的整体设计，以及对应装置的各构成组件及它们的连接关系等进行改进，可一次高速完成切割分离透明脆性材料，无需后续施加分离力或温差进行分离工序，能够简化工艺流程，提高激光切割分离透明脆性材料的加工效率。

A Method and Device for Separating Transparent and Brittle Materials by Laser Composite Cutting

【技术实现步骤摘要】
一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置
本专利技术属于激光加工应用
，更具体地，涉及一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置。
技术介绍
激光切割透明脆性材料有多种机理，主要机理可以分为以下几种：常规连续和纳秒脉冲激光熔化切割分离机理，激光隐形切割(或叫做内部改性切割)分离机理，激光热应力切割(或叫做热裂法切割、裂纹控制法切割)分离机理，超短脉冲(皮秒和飞秒)激光烧蚀切割分离机理。针对的透明脆性材料主要包括各种性能的玻璃，光学晶体材料和蓝宝石材料以及硅晶材料等。常规连续和纳秒脉冲激光熔化切割分离机理是通过熔化材料，并将其排除，达到切割分离。这种方法由于输入的能量较多，常会造成透明脆性材料切割分离面的崩边、重铸层和微裂纹等切割缺陷，切割分离精度和质量较差，必须进行二次打磨或抛光，从而增加了工艺流程和成本，降低了切割加工效率；激光隐形切割机理是将激光焦点聚焦到透明材料中间进行烧蚀，降低透明脆性材料切割分离面的烧蚀面，来提高切割分离精度和质量，但必须采用后续机械方法对激光隐形切割线进行机械掰片分离，不但增加了加工工序，导致切割分离效率下降，而且光路系统复杂，设备昂贵；激光热应力切割分离机理是通过对透明材料加热膨胀，当激光束离开后，加热膨胀部位通过外加冷却剂或自身传导迅速冷却收缩，诱导出大于材料抗拉强度的拉应力，形成穿透裂纹，将材料切割分离。这种方法由于没有激光熔化和烧蚀现象存在，故可以获得无缺陷的高精度和高质量的切割分离面，无需二次打磨或抛光，因而加工工序简单，但其缺点是切割分离速度慢，效率低，且由于难以控制裂纹沿曲线扩展，无法实现曲率较大的曲线图形切割分离；超短脉冲(皮秒和飞秒)激光烧蚀切割分离是目前对切割分离透明脆性材料效率较高，切割分离精度和质量较好的一种方法。专利CN104968620A提出一种透明材料的高速激光加工方法，采用皮秒贝塞尔光束对层状透明材料：包括至少一个拉应力层、至少一个压应力层以及所述至少一个拉应力层与所述至少一个压应力层之间的至少一个界面区，具体应用之一为对钢化玻璃进行预切割。在激光预切割后，再施加一定的分离力或温差才能使材料沿预切割路径分离。专利CN201710287652.1公开了利用皮秒贝塞尔光束预切割蓝宝石后，移动平台至指定位置，然后再利用振镜扫描二氧化碳激光使蓝宝石沿预切割路径进行分离的方法。上述方法均存在经过超短脉冲激光预切透明脆性材料后，必须经过后续施加一定的分离力或温差才能使材料分离，这显然增加了激光切割分离工序，降低了切割分离的效率。
技术实现思路
针对以上超短脉冲(皮秒和飞秒)激光烧蚀切割分离透明脆性材料加工过程中存在的改进需求，本专利技术的目的在于提供一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法及装置，通过对切割方法的切割原理、加工工艺流程的整体设计，以及对应装置的各构成组件及它们的连接关系等进行改进，以超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，利用复合激光将超快激光烧蚀改性机理和连续激光热应力切割分离机理同时同光轴作用于透明脆性材料，可一次高速完成切割分离透明脆性材料，无需后续施加分离力或温差进行分离工序，能够简化工艺流程，提高激光切割分离透明脆性材料的加工效率。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，该方法是采用超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，将所述超短脉冲激光与所述连续激光同光轴合束得到贝塞尔合成激光束，利用该贝塞尔合成激光束对待处理的透明脆性材料进行激光扫描，能够同时基于该贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分对透明脆性材料的烧蚀改性机理、以及连续激光部分对透明脆性材料的热应力切割分离机理，实现激光复合切割分离透明脆性材料；其中，所述超短脉冲激光为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光。作为本专利技术的进一步优选，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光，其频率满足1-2000kHz，峰值功率密度满足高于1012W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分能够在所述透明脆性材料上预加工出微点柱状改性微通道，从而减弱该透明脆性材料沿贝塞尔合成激光束扫切割分离路径方向的结合力；作为贝塞尔激光光源的所述连续激光，其功率密度满足低于1011W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中连续激光部分能够同时对所述透明脆性材料中被所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分改性的区域进行加热，引起微点柱状改性微通道之间的透明脆性材料受热膨胀；这样基于所述贝塞尔合成激光束的整体作用，当贝塞尔合成激光束离开作用区后，受热膨胀的透明脆性材料通过界面对流散热和自身传导散热迅速冷却，诱导出大于柱状改性微通道之间透明脆性材料结合力的拉应力，使透明脆性材料上迅速形成贯穿微裂纹，然后断开，从而实现透明脆性材料一次性切割分离。作为本专利技术的进一步优选，所述贝塞尔合成激光束的激光扫描速率不低于100mm/s；作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光及所述连续激光它们的波长均满足266-2000nm。作为本专利技术的进一步优选，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者波长不同；或者，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者偏振方向不同；优选的，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有P偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有S偏振方向的连续激光，或者作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有S偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有P偏振方向的连续激光。作为本专利技术的进一步优选，所述贝塞尔合成激光束，其中心主瓣直径不超过3微米。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种激光复合切割分离透明脆性材料的装置，其特征在于，包括超短脉冲激光输出组件、连续激光输出组件、合束组件、贝塞尔激光合成组件及xy两维工作台(18，43)；其中，所述xy两维工作台(18，43)用于放置待处理的透明脆性材料，并能够带动该待处理的透明脆性材料在xy平面内运动；所述超短脉冲激光输出组件包括超短脉冲激光器(1，30)和与该超短脉冲激光器(1，30)配合使用的第一扩束准直镜(3，32)，用于输出超短脉冲激光；该超短脉冲激光具体为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光；所述连续激光输出组件包括连续激光器(11，44)和与该连续激光器(11，44)配合使用的第二扩束准直镜(13，46)，用于输出连续激光；所述合束组件用于将所述超短脉冲激光与所述连续激光进行同光轴合束成复合激光；所述贝塞尔激光合成组件则用于对所述复合激光进行处理，使其转变为贝塞尔合成激光束；该贝塞尔合成激光束进一步被传输至所述xy两维工作台(18，43)上，能够对所述待处理的透明脆性材料进行一次性切割分离。作为本专利技术的进一步优选，所述合束组件具体为偏振合束镜(5)；所述超短脉冲激光与所述连续激光两者偏振方向不同；优选的，所述超短脉冲激光为具有P偏振方向的超短脉冲激光，所述连续激光为具有S偏振方向的连续激光；或者，所述超短脉冲激光为具有S偏振方向的超短脉冲激光，所述连续激光为具有P偏振方向的连续激光。作为本专利技术的进一步优选，所述合束组件具体为双波长合束镜(34)；所述超短脉冲激光与所述连续激光两者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，该方法是采用超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，将所述超短脉冲激光与所述连续激光同光轴合束得到贝塞尔合成激光束，利用该贝塞尔合成激光束对待处理的透明脆性材料进行激光扫描，能够同时基于该贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分对透明脆性材料的烧蚀改性机理、以及连续激光部分对透明脆性材料的热应力切割分离机理，实现激光复合切割分离透明脆性材料；其中，所述超短脉冲激光为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光。

【技术特征摘要】
1.一种激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，该方法是采用超短脉冲激光和连续激光两者同时作为贝塞尔激光光源，将所述超短脉冲激光与所述连续激光同光轴合束得到贝塞尔合成激光束，利用该贝塞尔合成激光束对待处理的透明脆性材料进行激光扫描，能够同时基于该贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分对透明脆性材料的烧蚀改性机理、以及连续激光部分对透明脆性材料的热应力切割分离机理，实现激光复合切割分离透明脆性材料；其中，所述超短脉冲激光为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光。2.如权利要求1所述激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光，其频率满足1-2000kHz，峰值功率密度满足高于1012W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分能够在所述透明脆性材料上预加工出微点柱状改性微通道，从而减弱该透明脆性材料沿贝塞尔合成激光束扫切割分离路径方向的结合力；作为贝塞尔激光光源的所述连续激光，其功率密度满足低于1011W/cm2；相应的，所述贝塞尔合成激光束中连续激光部分能够同时对所述透明脆性材料中被所述贝塞尔合成激光束中超短脉冲激光部分改性的区域进行加热，引起微点柱状改性微通道之间的透明脆性材料受热膨胀；这样基于所述贝塞尔合成激光束的整体作用，当贝塞尔合成激光束离开作用区后，受热膨胀的透明脆性材料通过界面对流散热和自身传导散热迅速冷却，诱导出大于柱状改性微通道之间透明脆性材料结合力的拉应力，使透明脆性材料上迅速形成贯穿微裂纹，然后断开，从而实现透明脆性材料一次性切割分离。3.如权利要求1所述激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，所述贝塞尔合成激光束的激光扫描速率不低于100mm/s；作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光及所述连续激光它们的波长均满足266-2000nm。4.如权利要求1所述激光复合切割分离透明脆性材料的方法，其特征在于，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者波长不同；或者，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光与作为贝塞尔激光光源的所述连续激光两者偏振方向不同；优选的，作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有P偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有S偏振方向的连续激光，或者作为贝塞尔激光光源的所述超短脉冲激光为具有S偏振方向的超短脉冲激光、而作为贝塞尔激光光源的所述连续激光为具有P偏振方向的连续激光。5.如权利要求1所述激光复合切...

【专利技术属性】
技术研发人员：段军，邓磊敏，杨泽齐，熊伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42