对透明材料进行激光加工的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及对透明材料进行激光加工的方法和装置。该方法通过在高斯或者高斯‑贝塞尔强度分布激光束的光路中放置光学元件，将所述超短脉冲高斯强度分布激光束转变成不对称高斯‑贝塞尔强度分布激光束，其中通过选择所述光学元件的合适材料和/或所述光学元件的参数和/或所述光学元件在激光束光路中的位置，来设定不对称高斯‑贝塞尔强度分布激光束的不对称性，从而在垂直于所述激光束的传播方向的平面中形成伸长形状的高斯‑贝塞尔强度分布激光束，在所述工件中诱发对应的伸长的损坏区域，以及以如下方式进行所述工件和所述激光束相对于彼此的受控移位：诱发的伸长形状的损坏区域在工件中沿着切割和/或破裂平面的预先确定的轨迹纵向依次排布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光领域，即对透明材料进行加工，并且可通过使用超短脉冲不对称高斯-贝塞尔(Gauss-Bessel)强度分布激光束，对透明材料(包括玻璃、化学回火玻璃、蓝宝石和其他晶体材料)进行切割、破裂和其他加工过程。
技术介绍
用于对透明材料进行切割、划线或破裂的大多数方法和装置是基于将通过激光源产生的激光束聚焦到透明材料的表面上或者透明材料的块体中，在透明材料中形成开裂，这导致透明材料由于外部作用力而发生分离或破裂。国际专利申请WO20122006736(2012年1月19日)揭示了对透明材料进行预切割的方法，其包括如下步骤：将超短脉冲激光束导向工件，并在其中聚焦，其中，工件的材料对于聚焦的激光束是透过的(transparent)。对激光脉冲持续时间和能量进行选择，以形成线状损坏区域(细丝)，其沿着束传播方向延伸穿过工件。对工件选择性地执行相对于聚焦激光束的多次平移，并且是以在工件中诱发所需数量的额外线状损坏区域的方向，形成破裂平面的轨迹。最接近其的技术精髓是国际专利申请WO2014/079478A1(2014年5月30日)所述的对透明材料进行加工的方法和设备。已知的透明材料加工方法采用超短脉冲高斯强度分布激光束，并且包括如下依次操作：将超短脉冲高斯-贝塞尔强度分布激光束导向光学系统，形成高斯-贝塞尔强度分布激光束，通过光学元件将其导向工件并在工件中局部化。工件的材料对于局部化的高斯-贝塞尔强度分布激光束是透过的，并且对激光脉冲持续时间和能量进行选择，以超过工件材料的光学损坏阈值并形成(由微裂纹构成的)损坏区域，其沿着聚焦的激光束延伸穿过工件。使得工件相对于聚焦的激光束移位(displace)，诱发了额外的损坏区域。选择性地执行多次移位，并且是以在工件中诱发所需数量的额外损坏区域的方法，形成切割/破裂平面的轨迹。已知装置采用高斯或高斯-贝塞尔激光束的单次脉冲来覆盖工件的部分或者完整厚度，实现了高加工精度和速度。最接近已知方法和装置的技术精髓是将高斯-贝塞尔强度分布激光束在工件中局部化，形成损坏区域，其沿着激光束传播方向延伸并且具有接近圆形的形状，位于垂直于激光束传播的平面中。使得形成的具有接近圆形形状的损坏区域相互移位，形成切割和/或破裂平面的轨迹。由具有接近圆形的形状的损坏区域构成的形成在工件中的切割和/或破裂平面在相对于切割和/或破裂平面的轨迹的工件的块体中和平面上产生应力和随机方向或者甚至数个方向的裂纹。这对切割和/或破裂质量造成不利影响，特别是当切割和/或破裂平面轨迹包括各种曲率半径时。此外，由于形成从工件的块体和表面中的破裂轨迹分支出来的随机裂纹和应力，经加工的工件的机械强度下降，工件材料的损耗增加，产率和加工速度下降。待解决的技术问题本专利技术需求改善对透明材料进行切割或破裂的加工质量，以及改善产率、产量和加工速度。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了对透明材料进行加工的方法，其包括以下步骤：将超短脉冲高斯强度分布激光束从激光源导向光学系统，产生高斯-贝塞尔强度分布激光束，使得产生的高斯-贝塞尔强度分布激光束在工件中局部化，其中，工件的材料对于局部化的高斯-贝塞尔强度分布激光束是透过的，并且其中，对导向的激光束的激光脉冲持续时间和激光能量进行选择以超过工件的材料损坏阈值并在其中形成损坏区域，其以激光束的传播方向延伸，进行工件和激光束相对于彼此的受控移位，以预先确定的轨迹产生所需数量的额外相邻损坏区域，从而形成工件的切割和/或破裂平面，其特征在于，通过在高斯或者高斯-贝塞尔强度分布激光束的光路中放置光学元件，将超短脉冲高斯强度分布激光束转变成不对称高斯-贝塞尔强度分布激光束，其中，通过选择合适的光学元件的材料和/或光学元件的参数和/或光学元件在激光束光路中的位置来设定不对称高斯-贝塞尔强度分布激光束的不对称性，从而在(垂直于激光束传播方向的)平面中形成伸长形状的高斯-贝塞尔强度分布激光束，在工件中相应地诱发伸长的损坏区域，以及其中，以如下方式进行工件和激光束相对于彼此的受控移位：诱发的伸长形状的损坏区域在工件中沿着切割和/或破裂平面的预先确定轨迹纵向依次排布。在垂直于激光束传播方向的平面中的伸长形状的诱发的损坏区域类似于椭圆形形状。伸长形状的损坏区域在工件内沿着切割和/或破裂平面的轨迹相互以一定距离布置，从而使得相邻损坏区域的中心之间的距离dx约为单个损坏区域(18b)的约为0.5-15个长度，其中，损坏区域沿着长轴(18e)的长度约为1-20um，并且损坏区域沿着长轴的长度是沿着短轴长度的1.3-5倍(优选2倍)。工件的透明材料选自：玻璃、化学强化玻璃、蓝宝石或者其他晶体材料。在透明工件中诱发的损坏区域沿着激光束传播方向的长度可以短于平板状工件的厚度并且与平板状工件的任意表面是不毗连的，或者损坏区域的长度与工件的厚度一致并且与平板状工件的两个表面都毗连，或者损坏区域的长度短于平板状工件的厚度并且仅与一个表面毗连。本专利技术的另一个实施方式是对透明材料进行加工的装置，其包括：激光源，产生超短脉冲高斯强度分布激光束，光学系统，形成高斯-贝塞尔强度分布激光束并使其在工件中局部化，其中，工件的材料对于高斯-贝塞尔强度分布激光束是透过的，对激光脉冲持续时间和能量进行选择以超过工件材料的光学损坏阈值并在其中沿着束传播方向形成损坏区域，受控定位机制，用于将透明工件和高斯-贝塞尔强度分布激光束相对于彼此移位，从而以预先确定的轨迹产生所需数量的额外相邻损坏区域，形成工件的切割和/或破裂平面，其特征在于，通过放置在高斯或者高斯-贝塞尔强度分布激光束的路径中的光学元件来破坏高斯-贝塞尔强度部分激光束的对称性，其中，光学系统形成不对称高斯-贝塞尔强度分布激光束并使其在工件中局部化，诱发损坏区域，其在垂直于激光束传播方向的平面内具有伸长形状，并且其中，将通过控制器控制的定位机制设计成以如下方式进行透明工件和高斯-贝塞尔强度分布激光束相对于彼此移位：沿着预先确定的轨迹使得伸长形状的损坏区域纵向依次诱发，在工件中形成切割和/或破裂平面。光学元件是透明板，将其以如下方式放在高斯或者高斯-贝塞尔强度分布激光束的光路中：使其遮住一半的激光束，其中激光束被遮住和未被遮住的部分是对称的，并且未被遮住的束部分直接通过，而被遮住的束部分贯穿透明板通过。光学元件是具有拥有不同厚度的第一区和第二区的透明板，将其以如下方式放在高斯或者高斯-贝塞尔强度分布激光束的光路中：将激光束劈开成两个相等对称部分，其中，第一部分的束通过板的第一区，而第二部分的束通过板的第二区。光学元件是拥有具有不同折射率的第一区和第二区的透明板，将其以如下方式放在高斯或者高斯-贝塞尔强度分布激光束的光路中：将前述的束劈开成两个相等对称部分，其中，第一部分的束通过板的第一区，而第二部分的束通过板的第二区。受控定位机制包括：转动工作台，将光学件与该转动工作台附连，以及可线性移动工作台，将工件与其附连，其中，控制控制器来控制这两个工作台，所述控制器根据切割和/或破裂平面的预先确定的轨迹以如下方式从计算机接收命令：使得通过工作台、光学元件的转动来控制切割和/或破裂平面的轨迹的方向，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对透明材料进行加工的方法，所述方法包括以下步骤：将超短脉冲高斯强度分布激光束(2)从激光源(1)导向到光学系统，产生高斯‑贝塞尔强度分布激光束，使得产生的高斯‑贝塞尔强度分布激光束在工件(7)中局部化，其中，所述工件的材料对于局部化的高斯‑贝塞尔强度分布激光束是透过的，以及其中，对经导向的激光束(2)的激光脉冲持续时间和激光脉冲能量进行选择，使其超过所述工件(7)的材料损坏阈值，并且在其中形成损坏区域，其以所述激光束的传播方向延伸，进行所述工件(7)与所述激光束相对于彼此的受控移位，以预先确定的轨迹产生所需数量的额外相邻的损坏区域，从而形成工件(7)的切割和/或破裂平面，其特征在于，通过在高斯或者高斯‑贝塞尔强度分布激光束的光路中放置光学元件(3、3’、3”)，将所述超短脉冲高斯强度分布激光束(2)转变成不对称高斯‑贝塞尔强度分布激光束(6b)，其中通过选择所述光学元件(3、3’、3”)的合适材料和/或所述光学元件(3、3’、3”)的参数和/或所述光学元件(3、3’、3”)在激光束光路中的位置，来设定不对称高斯‑贝塞尔强度分布激光束的不对称性，从而在垂直于所述激光束的传播方向的平面中形成伸长形状的高斯‑贝塞尔强度分布激光束，在所述工件(7)中诱发对应的伸长的损坏区域(18b)，以及其中，以如下方式进行所述工件(7)和所述激光束相对于彼此的受控移位：诱发的伸长形状的损坏区域(18b)在工件(7)中沿着切割和/或破裂平面的预先确定的轨迹纵向依次排布。...

【技术特征摘要】
2015.10.02 LT 20150851.一种对透明材料进行加工的方法，所述方法包括以下步骤：将超短脉冲高斯强度分布激光束(2)从激光源(1)导向到光学系统，产生高斯-贝塞尔强度分布激光束，使得产生的高斯-贝塞尔强度分布激光束在工件(7)中局部化，其中，所述工件的材料对于局部化的高斯-贝塞尔强度分布激光束是透过的，以及其中，对经导向的激光束(2)的激光脉冲持续时间和激光脉冲能量进行选择，使其超过所述工件(7)的材料损坏阈值，并且在其中形成损坏区域，其以所述激光束的传播方向延伸，进行所述工件(7)与所述激光束相对于彼此的受控移位，以预先确定的轨迹产生所需数量的额外相邻的损坏区域，从而形成工件(7)的切割和/或破裂平面，其特征在于，通过在高斯或者高斯-贝塞尔强度分布激光束的光路中放置光学元件(3、3’、3”)，将所述超短脉冲高斯强度分布激光束(2)转变成不对称高斯-贝塞尔强度分布激光束(6b)，其中通过选择所述光学元件(3、3’、3”)的合适材料和/或所述光学元件(3、3’、3”)的参数和/或所述光学元件(3、3’、3”)在激光束光路中的位置，来设定不对称高斯-贝塞尔强度分布激光束的不对称性，从而在垂直于所述激光束的传播方向的平面中形成伸长形状的高斯-贝塞尔强度分布激光束，在所述工件(7)中诱发对应的伸长的损坏区域(18b)，以及其中，以如下方式进行所述工件(7)和所述激光束相对于彼此的受控移位：诱发的伸长形状的损坏区域(18b)在工件(7)中沿着切割和/或破裂平面的预先确定的轨迹纵向依次排布。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在垂直于所述激光束传播方向的平面中的诱发的损坏区域(18b)的伸长形状类似于椭圆形形状。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，伸长形状的损坏区域(18b)
\t在所述工件(7)内沿着切割和/或破裂平面的轨迹相互以一定距离布置，从而使得相邻损坏区域的中心之间的间距dx约为单个损坏区域的长度(18e)的0.5-15倍，其中损坏区域(18b)沿着长轴的长度(18e)约为1-20um，以及损坏区域沿着长轴的长度是沿着短轴的长度的1.3-5倍，优选为2倍。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件(7)的透明材料选自：玻璃、化学强化玻璃、蓝宝石或者其他晶体材料。5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在透明工件中诱发的损坏区域(18b)沿着激光束传播方向的长度(18f)短于板状工件(7)的厚度并且不与板状工件的任意表面毗邻，或者损坏区域的长度(18f)与工件的厚度一致并且与板状工件的两个表面(7a、7b)都毗邻，或者损坏区域的长度(18f)短于板状工件(7)的厚度并且仅与表面(7a、7b)中的一个表面毗邻。6.一种对透明材料进行加工的装置，所述装置包括：激光源(1)，其产生超短脉冲高斯强度分布激光束(2)，光学系统，其形成高斯-贝塞尔强度分布激光束并使其在工件(7)中局部化，其中，所述工件的材料对于高斯-贝塞尔强度分布激光束是透过的，并且对激光脉冲持续时间和激光脉冲能量进行选择，使其超过所述工件(7)的光学损坏阈值，并且在其中沿着束传播方向形成损坏区域，受到控制器控制的定位机制，用于使得所述透明工件(7)和高斯-贝塞尔强度分布激光束相对于彼此移位，从而以预先确定的轨迹产生所需数量的额外相邻损坏区域，从而形成工件的切割和/或破裂平面，其特征在于，在高斯或者高斯-贝塞尔强度分布束的路径中放置光学元件(3、3’、3”)，以破坏高斯-贝塞尔强度分布激光束的对称性，其中所述光学系统形...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·米库提斯，
申请(专利权)人：UAB阿尔特克纳研究与开发所，
类型：发明
国别省市：立陶宛;LT