一种切割由脆性材料制成的工件的方法技术

用于切割脆性材料的设备包括扩束器(18)，与非球面聚焦透镜(22)、孔径(CA)和产生脉冲激光辐射束(14)的激光源(12)相结合。非球面透镜(22)和孔径(CA)将脉冲激光辐射束形成为沿着非球面聚焦透镜(22)的光轴具有均匀强度分布的细长焦点。细长焦点延伸穿过由脆性材料制成的工件(38)的整个厚度。通过沿切割线描绘光轴来切割工件(38)。脉冲激光辐射的每个脉冲或脉冲串都会在工件(38)的整个厚度上产生延伸的缺陷。缺陷。缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种切割由脆性材料制成的工件的方法
[0001]本专利技术是申请号为201780069421.1、申请日为2017年11月13日、专利技术名称为“利用非球面聚焦设备和扩束器切割脆性材料的激光设备”的专利的分案申请。


[0002]本专利技术一般涉及透明脆性材料的激光加工。本专利技术特别涉及使用具有约20皮秒或更短的脉冲持续时间的形成细长焦点的超短脉冲激光辐射束切割玻璃工件。

技术介绍

[0003]激光加工越来越多地用于对各种材料进行切割，钻孔，标记和划线，包括玻璃和蓝宝石等脆性材料。传统的机械加工产生不希望的缺陷，例如当加工后的材料受到应力时可能传播的微裂纹，从而降低和削弱加工的材料。使用聚焦的脉冲激光辐射束对脆性材料进行激光加工，可产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少不需要的缺陷的形成。工业进步需要对越来越多的脆性材料进行激光加工，同时要求提高加工速度和精度。
[0004]透明脆性材料通过激光辐射的非线性吸收与聚焦的脉冲激光辐射束相互作用。脉冲激光辐射可以包括一系列单个脉冲或快速脉冲串。每个单个脉冲或脉冲串在光束焦点处在透明脆性材料中产生缺陷。通过沿着工件中的切割路径平移聚焦的脉冲激光辐射束来产生一系列缺陷，从而削弱材料。然后，薄的工件可以自发地分离，而厚的工件可以在施加应力的附加步骤中分离。一种这样的方法是沿着切割路径施加具有被材料吸收的波长的激光束，这通过加热引起机械应力。
[0005]近年来，已开发出化学强化玻璃，并广泛用作消费电子装置的显示屏的覆盖玻璃。通过离子交换过程实现化学强化。将硅酸盐玻璃板浸入含有钾离子(K
+
)的盐溶液中。较大的钾离子代替位于玻璃表面附近的较小的钠离子(Na
+
)，从而在玻璃的表面层内引起压缩。在这些表面层之间，玻璃内部处于拉伸状态，从而补偿表面压缩。高表面层压缩使化学强化玻璃极硬(莫氏硬度约为6.5)，并且耐刮擦和机械冲击。蓝宝石(莫氏9级)是一种用于某些装置的替代硬质玻璃材料。
[0006]用于消费电子装置的覆盖玻璃通常具有约300微米(μm)至1.1毫米(mm)的厚度。聚焦良好的脉冲激光辐射产生的缺陷通常延伸到几十微米深。切割工件的整个厚度需要在改变聚焦深度的同时沿着切割路径多次扫描聚焦的激光辐射。
[0007]已经使用各种手段开发了商业激光加工工艺以产生长焦点，从而减少了沿切割路径所需的扫描次数并提高了激光切割设备的生产率。使用轴棱镜或等效相位掩模作为聚焦元件，从具有高斯横模的光束产生“贝塞尔光束”。轴棱镜是关于光轴旋转对称的锥形棱镜。相位掩模是一种衍射光学元件(DOE)，并且制造起来通常相当昂贵。在实践中，通常需要额外的望远镜来对贝塞尔光束进行去放大，并消除由于轴棱镜或DOE的不完美制造而导致的严重的强度调制。使用贝塞尔光束产生的缺陷可能具有卫星结构，这可能导致质量差的切割边缘。
[0008]产生长焦点的另一种方法是产生自引导的“细丝”。由于折射率的非线性分量，在材料中具有高强度的聚焦的脉冲激光辐射束变得进一步聚焦。非线性聚焦和强度之间的正反馈产生等离子体。等离子体内的较低折射率导致散焦。聚焦和散焦之间的平衡维持细丝内的等离子体状态。细丝的传播沿着聚焦元件的光轴在材料中产生空隙。细丝激光加工需要高脉冲能量，接近当前一代超短脉冲激光源的实际限制，并精确控制所有光束参数。材料特性的相对较小的变化(例如正常的材料不均匀性)和光束参数(例如，拍摄间噪声和激光
‑
激光束质量)可能导致细丝激光切割过程中失去控制。
[0009]需要一种告效的激光切割方法，该方法将沿着使用较低脉冲能量的切割路径单次切割强化玻璃或蓝宝石。优选地，该方法应该是确定性的并且对材料特性和光束参数的变化不敏感。
[0010]专利技术概述
[0011]本专利技术涉及切割具有入射表面和出射表面的脆性材料。根据本专利技术的激光设备包括传送准直的脉冲激光辐射束的激光源。脉冲激光辐射具有小于约20皮秒的脉冲持续时间，并且准直光束具有第一直径。提供一种非球面聚焦透镜，其具有光轴和通光孔径。提供无焦扩束器，其位于激光源与非球面聚焦透镜之间。无焦扩束器布置成将准直光束从第一直径扩展到第二直径。第二直径大于非球面聚焦透镜的通光孔径，使得仅扩展的准直光束的一部分在通光孔径内。非球面聚焦透镜将脉冲激光束的一部分聚焦在通光孔径内。聚焦光束具有与光轴同轴的细长焦点。细长焦点沿光轴具有大致均匀的强度分布。细长的焦点与入射表面与出射表面之间的脆性材料重叠。
附图说明
[0012]包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本专利技术的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本专利技术原理。
[0013]图1A示意性地示出了根据本专利技术的激光切割设备的一个优选实施方案，用于在由脆性材料制成的工件中产生延伸的缺陷，该设备包括传送脉冲激光辐射束的激光源、无焦扩束器和形成具有均匀强度分布的细长焦点的非球面聚焦透镜。
[0014]图1B示意性地示出了图1A的脉冲激光辐射束中的横向高斯强度分布。
[0015]图1C示意性地示出了图1A的细长焦点中的均匀强度分布。
[0016]图2示意性地示出了根据本专利技术的激光切割设备的另一个优选实施方案，类似于图1A的实施方案，但是，其中无焦扩束器由负透镜代替。
[0017]图3示意性地示出了根据本专利技术的激光切割设备的又一优选实施方案，类似于图1A的实施方案，但是，其中非球面聚焦透镜包括球面聚焦透镜和非球面相位板。
[0018]图4是示意性地示出图1A的激光辐射束中的脉冲的时序图。
[0019]图5是示意性地示出根据本专利技术的非球面聚焦透镜的非球面和商用球面透镜的球面的截面形状的曲线图，表面的顶点位于原点，表面由凹陷表示作为离光轴的径向位移的函数。
[0020]图6A是示意性地示出作为沿着与图2的实施方案类似的传统激光切割设备的光轴的位移的函数的计算强度的曲线图，但是，传统激光切割设备具有球面平凸聚焦透镜而不
是本专利技术的非球面聚焦透镜，球面平凸聚焦透镜具有+35mm的特定焦距。
[0021]图6B是示意性地示出作为沿图1A的激光切割设备的光轴的位移的函数的计算强度的曲线图，非球面聚焦透镜具有+25mm的标称焦距，并且脉冲激光辐射束欠填充非球面聚焦透镜的通光孔径。
[0022]图6C是示意性地示出作为沿与图6B相同的激光切割设备的光轴的位移的函数的计算强度的曲线图，但是，脉冲激光辐射束过填充非球面聚焦透镜的通光孔径。
[0023]图7A是示意性地示出作为沿图1A的激光切割设备的光轴的位移的函数的计算强度的曲线图，在非球面聚焦透镜的通光孔径外的激光辐射束中具有约5％的脉冲能量。
[0024]图7B是示意性地示出作为沿着与图7A相同的激光切割设备的光轴的位移的函数的计算强度的曲线图，但是，在非球面聚焦透镜的通光孔径外的激光辐射束中具有约10％的脉冲能量。
[0025]图7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沿切割线切割由脆性材料制成的工件的方法，所述方法包括步骤：传送激光辐射束，所述激光辐射是脉冲的且具有小于约20皮秒的脉冲持续时间；扩展所述激光辐射束以过填充非球面聚焦透镜的通光孔径，使得只有一部分扩展的激光辐射束在所述通光孔径内并且填充所述通光孔径，并且通过所述非球面聚焦透镜透射；形成聚焦的具有细长焦点的激光辐射束，通过聚焦所述透射的激光辐射束结合衍射到所述通光孔径边缘的所述激光辐射束，所述细长焦点沿所述非球面聚焦透镜的光轴具有大致均匀的强度分布；定位所述工件使得所述细长焦点在入射表面和出射表面之间与所述工件重叠，并且所述光轴截取所述切割线；以及沿所述切割线描绘所述光轴。2.如权利要求1所述的切割方法，其中，所述扩展的激光辐射束在所述通光孔径内的部分为约85％至约95％。3.如权利要求1所述的切割方法，其中，所述大致均匀的强度分布包括多个峰值，所述峰值强度与所述平均峰值强度相差小于约20％。4.如权利要求1所述的切割方法，其中，所述细长焦点从所述入射表面延伸到所述出射表面。5.如权利要求1所述的切割方法，其中，所述传送的激光辐射束具有脉冲能量，所述非球面聚焦透镜的设计使位于所述细长焦点内的一小部分所述脉冲能量最大化。6.如权利要求1所述的切割方法，其中，所述通光孔径由位于所述扩展的激光辐射束内的离散孔径限定。7.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：相干公司，
类型：发明
国别省市：