用于硬化透明材料的设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于硬化透明材料(1)、特别是用于局部硬化该透明材料(1)的表面(10)的设备和方法，其中，借助于超短脉冲激光器的超短激光脉冲(66)的激光束(6)在该透明材料(1)中引入材料改性(3)或将该材料改性应用于该透明材料，优选地局部地引入或应用，以便硬化该透明材料(1)、优选地局部地硬化该透明材料。优选地局部地硬化该透明材料。优选地局部地硬化该透明材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于硬化透明材料的设备和方法


[0001]本专利技术涉及一种用于硬化透明材料、特别是用于局部硬化透明材料的表面的设备和方法。

技术介绍

[0002]已知的是，例如用于比如智能手机、智能手表或平板电脑等消费性电子产品的玻璃的硬化是特别大的挑战。相应的显示器玻璃通过材料硬化会比未经处理的玻璃明显更加耐刮擦和耐冲击。
[0003]然而，迄今为止，仅存在允许对用于显示器的材料进行整体硬化的方法，因此特别是无法实现在例如在承受相当大的应力的区域的局部硬化。例如，可折叠显示器的相应弯曲部位会经受相当大的负载。具有用于无框架显示器的圆边的显示器在折弯处也会由于弯曲形状而经受相当大的负载。

技术实现思路

[0004]从已知的现有技术出发，本专利技术的目的是提供一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的经改进的方法，以及一种用于执行该方法的相应设备。
[0005]该目的通过具有如权利要求1所述的特征的一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的方法来实现。从从属权利要求、本说明书和附图中可以明显看出该方法的有利的扩展方案。
[0006]相应地，提出一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的方法。根据本专利技术，借助于超短脉冲激光器的超短激光脉冲的激光束在透明材料中或上引入、优选地局部地引入材料改性，以便硬化透明材料、优选地局部地硬化该透明材料。
[0007]在此，超短脉冲激光器使超短激光脉冲可用。超短脉冲激光器使在皮秒范围或飞秒范围内的激光脉冲可用。
[0008]该激光器还可以使超短激光脉冲的脉冲串(也称为脉冲群)可用，其中，每个群包括多个激光脉冲的发射。特别地，也可以提供所谓的GHz群，其中，各个激光脉冲的重复率例如大约高达1000GHz。
[0009]在此，透明材料对于由超短脉冲激光器发射的激光的波长而言是基本上透明的。在此，基本上透明意指入射在材料上的激光功率的超过50％(例如，超过90％或95.5％)透射穿过该材料。通常，激光能量的未透射的一小部分也被该材料吸收。正是这个吸收的激光能量，只要激光束例如借助于数值孔径大于0.1的光具被高度聚焦，就可以使透明材料强烈地局部加热。
[0010]在此，与激光束相互作用的区域的范围、或被激光束加热的区域的范围是由光束几何形状(特别是由激光束的焦点直径和射束分布)确定，参见下文。
[0011]材料改性应理解为意指透明材料在该透明材料的热平衡方面永久性的改变，例如该材料的网状结构或该材料的(局部)密度，所述改变是由于直接激光辐射产生的局部加
热、以及后续冷却所引起的。
[0012]在此，透明材料中的材料改性或该透明材料上的材料改性可以例如是该透明材料的结构(特别是晶体结构、和/或无定形结构、和/或化学结构、和/或机械结构)的改性。如果主要在材料的体积中引入材料改性，则该材料改性被提供在该材料中。相比之下，如果材料改性主要对材料的表面进行改性，则该材料改性被提供在该材料上。然而，特别地，取决于激光束的焦点设定和射束分布，材料改性可以既引入到材料中也引入到该材料上。
[0013]例如，在无定形玻璃材料中引入材料改性可以在于：该玻璃材料仅在该区域中获得晶体结构组分。局部加热和快速冷却可以引起玻璃网状结构的改性，其结果是，材料的密度和硬度局部地改变。例如，在无定形玻璃材料的情况下，可以例如通过网状结构的键角和长度的改变实现网状结构的改变。以此方式，可以实现玻璃材料在此区域中的密度和硬度的局部改变。
[0014]材料改性也可以是物理性质(例如，强度、和/或抗弯强度、和/或材料对弯曲力和剪切力以及剪切应力和拉伸应力的耐受性)的直接改变。
[0015]材料改性也可以是密度的局部改变，这可以取决于所选择的材料(特别是玻璃的类型)。例如，材料中的密度变化可以引起应力区和压缩区，所述应力区和压缩区的材料硬度比未经处理的材料高。
[0016]特别地，如果激光脉冲(例如，先后引入的至少两个激光脉冲)局部地熔化材料，则也可以发生材料改性。然后，冷却的熔体可以包括材料改性，并且具有较高或较低的材料硬度。最终，材料改性的类型取决于材料和激光参数，因此激光参数可以特定于材料来设定。
[0017]如果相继的超短激光脉冲之间的时间间隔比材料的热扩散时间短，则这可能会使材料中(主要是在激光器的焦点区域中)的热量积聚或温度升高。于是，温度可能会随着相继的脉冲中的每个脉冲(局部地)升高，例如直到已经达到熔化温度。
[0018]为了熔化连结区域中的材料，可以在材料中引入例如介于2个与10个之间的超短激光脉冲和/或脉冲群。该多个超短激光脉冲和/或脉冲群被引入用于预期的材料加工，从空间上观察，这些超短激光脉冲和/或这些脉冲群在各自情况下呈激光光斑形式，即，在激光在材料中的相应焦点区域的空间范围内。对于高斯(Gaussian)激光束来说，激光光斑被定义为例如光束腰的两倍。
[0019]在单个地点处引入的激光脉冲数量被称为脉冲重叠。脉冲重叠可以被认为是热量积聚的量度。
[0020]例如，如果没有进行进给运动且所有脉冲都被引入在材料的同一地点处，则脉冲重叠达到其最大值。相比之下，如果在材料与激光光斑之间进行进给运动，则脉冲重叠可以取决于脉冲频率(重复率)与进给速率之比而减小。如果进给速率过高，则激光光斑在材料中不再出现重叠。
[0021]材料中的每个地点的超短激光脉冲和/或脉冲群的数量是由激光光斑大小SG与每进给速率VG的重复率P的乘积得出的。即，脉冲重叠是例如由SG*P/VG得出的。
[0022]然后，可以通过加热和后续的快速冷却而引入材料改性。例如，通过每秒106开尔文数量级的冷却速率，可以改变材料的假想温度并因而改变网状结构，其结果是，由于高冷却速率而形成了硬度局部地增加或减小的材料改性。
[0023]引入材料改性基本上受限于激光束的激光脉冲的作用区域，使得透明材料局部地
硬化。即，硬化发生在被引入的激光脉冲的直接作用区域中。
[0024]换句话说，局部硬化应理解为意指只有透明材料的二维区域或三维区域选择性地被硬化，而不是全部材料被硬化。
[0025]相应地，只有在激光脉冲被引入在要大面积加工的表面上的所有地点处的情况下，材料改性才会被大面积地引入或被整面地引入，这可以例如通过全面扫描要大范围地硬化的表面来实现。
[0026]换句话说，整体硬化、或二维硬化、或区域硬化可以通过使例如透明材料和激光束在要硬化的区域内相对于彼此移动来进行，其结果是，可以在材料的不同区域和地点中引入材料改性，并且相应地在这些区域进行局部硬化。
[0027]在实际的材料改性不同的是材料改性区域，材料改性区域包括可测量到由于激光脉冲的作用而改变的硬度的整个区域。特别地，在该区域中，从空间上观察，材料从材料改性开始过渡到玻璃材料的未经处理的区域的初始状态。
[0028]透明材料可以是玻璃、或聚合物、或陶瓷、或刚刚提及的这些材料的预应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于硬化透明材料(1)、特别是用于局部硬化该透明材料(1)的表面(10)的方法，其特征在于，借助于超短脉冲激光器的超短激光脉冲(66)的激光束(6)在该透明材料(1)中或该透明材料上引入或施加、优选地局部地引入或施加材料改性(3)，以便硬化该透明材料(1)、优选地局部地硬化该透明材料。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该透明材料(1)是玻璃、或聚合物、或陶瓷、或前面提及的这些材料的受预应力的变体，尤其是前面提及的这些材料的经化学硬化或经热硬化的变体。3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)借助于光具聚焦，并且焦点区域(63)布置在该透明材料(1)的外部、距该透明材料(1)的表面(10)的距离比特征长度(L)的100倍小、尤其是比该特征长度的10倍小。4.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)借助于光具聚焦，并且焦点区域(63)布置在该透明材料(1)中或布置在该透明材料(1)的表面(10)上。5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，该焦点区域(63)相对于该透明材料(1)的表面(10)的距离自动保持恒定。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)具有高斯型射束分布、或准非衍射光束的射束分布。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
‑
这些超短激光脉冲(66)之间的间隔比该透明材料(1)的热扩散时间短，该间隔优选地介于10μs与1ps之间、尤其优选地介于1μs与50ps之间，和/或
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这些超短激光脉冲(66)的脉冲重叠大于1，和/或
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多个超短激光脉冲(66)是以一个脉冲串形式发射的，其中，优选地，这些脉冲串的时间间隔大于100ns、优选地大于1μs。8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)和该透明材料(1)以进给相对于彼此运动。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)多次扫过该透明材料(1)的至少一个位置。10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：通快激光与系统工程有限公司，
类型：发明
国别省市：