CN207431532U - 一种切割透明或半透明材料的激光装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种切割透明或半透明材料的激光装置，结构为控制系统分别与激光器、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜或三维平台相连，激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜或固定光路切割头依次按光路要求安装，且激光器发出的激光束经过光束整形元件及同轴自动调焦/变焦及测高装置后进入振镜或固定光路切割头，控制系统控制振镜或三维平台，使振镜或固定光路切割头出射的激光一直聚焦在待加工材料的出射面上。本实用新型由于激光切割时产生的等离子体及飞溅不在入射光束与焦点之间，有效地避免了等离子体屏蔽效应，大大提高了能量的利用效率。另外，还具有热效应小、切割速度快、切割面无锥度等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种切割透明或半透明材料的激光装置，属于高端设备领域，该装置可广泛用于玻璃、蓝宝石、硅晶圆等透明或半透明材料的加工。
背景技术
随着智能手机、LED、平板电脑、触摸屏与智能手表等消费电子产品的技术发展与需求增长，工业市场对玻璃盖板、蓝宝石窗口、晶圆等透明与半透明材料的需求也在日益增长。高效、高质量的透明或半透明材料的切割装置有利于提高产品的机械性质、降低透明脆性材料的加工成本、以及增加电子产品的竞争力。
脆性透明或半透明材料的传统切割方式以刀轮切割为主，通过数控机床控制刀轮的位置，利用CCD定位完成材料的切割。刀轮切割过程中会对材料产生应力,容易导致材料的崩边或碎裂；且刀轮经过长时间磨损，容易损坏，需经常更换。尤其是对于蓝宝石等高硬度的透明材料，刀轮切割效率很低,且磨损很高。此外刀轮切割在切割小尺寸或复杂图形时会受到极大的限制。
为了克服刀轮的缺点，激光设备也经常用来切割透明或半透明脆性材料。现在常用的激光设备主要采用激光焦点由材料入射面向出射面移动的方式，逐层烧蚀材料直至材料被切穿。这种切割方式会在材料入射表面产生大量等离子体及飞溅，阻碍激光的传播(等离子体屏蔽效应)，从而导致加工效率低、能耗大、热累积效应强等缺点。此外，这种切割方式得到的切割面会有一定的锥度。
为了增加切割效率，上述传统激光切割设备也有采用最先进的超快激光，利用高功率密度的激光及透明或半透明材料的非线性效应，提高材料的烧蚀速度、减小崩边等，但这没有本质上改变这种设备的缺陷，在很多情况下，等离子体屏蔽效应会更严重。
发明内容
本实用新型的目的在于克服传统机械切割设备和传统激光切割设备的不足，提供一种高效率、高质量的切割透明或半透明材料的激光装置。
本实用新型的技术实现方式是：
一种切割透明或半透明材料的激光装置，包括激光器、光束整形元件、 同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜、控制系统，其特征在于：控制系统分别与激光器、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜相连，激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜依次按光路要求安装，且激光器发出的激光束经过光束整形元件及同轴自动调焦/变焦及测高装置后进入振镜，控制系统控制振镜，使振镜出射的激光一直聚焦在待加工材料的出射面上。
一种切割透明或半透明材料的激光装置，包括激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、固定光路切割头、控制系统、三维平台，其特征在于：控制系统分别与激光器、同轴自动调焦/变焦及测高装置、三维平台相连，激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、固定光路切割头依次按光路要求安装，且激光器发出的激光束经过光束整形元件及同轴自动调焦/变焦及测高装置后进入固定光路切割头，控制系统控制三维平台，使固定光路切割头出射的激光一直聚焦在放置于三维平台上待加工材料的出射面上。
根据上述两种切割透明或半透明材料的激光装置，还包括吹气装置，吹气装置安装在加工材料的上表面位置，在切割过程中使用吹气装置，对加工材料进行冷却并吹走在上表面产生的粉尘或熔渣。
根据上述两种切割透明或半透明材料的激光装置，还包括真空及抽气装置，真空及抽气装置安装在在加工材料的下表面位置，使切割下来的物质能迅速被移走。
从激光器发出的激光束经过光束整形元件及同轴自动调焦/变焦及测高装置后进入振镜或进入切割头，使之一直聚焦在待加工材料的出射面上。同轴自动调焦/变焦及测高装置自动测量加工材料的厚度与离振镜或固定光路切割头的距离，并使激光束开始聚焦在材料的出射面上。控制系统将切割的图形转化为控制信号并控制振镜在xy平面上的扫描路径或三维平台在xy平面上的运动路径。在加工时，振镜按照同轴自动调焦/变焦及测高装置所测量的材料厚度及预定的步速在z轴上移向远离加工材料的上表面；或三维平台按照同轴自动调焦/变焦及测高装置所测量的材料厚度及预定的步速在z轴上向远离固定光路切割头的方向移动，使激光焦点在z轴上逐渐移向加工材料的上表面，实现自下而上切割直至加工材料完全被切穿。
所述激光器的发出的激光波长在355－1064nm。
所述光束整形单元由一个光学衍射元件和一个扩束镜组成。
所述光束整形单元由两个光栅和一个扩束镜组成。
本实用新型相对于传统机械切割设备的优点有：无机械应力，无机械磨损，加工图形不会受限于刀轮、切割线宽窄等优点。
本实用新型相对传统激光切割设备的优点有：同轴、自动且快速调焦、变焦、及测量材料的厚度及材料离振镜或固定光路切割头的距离。同时，由于激光切割时产生的等离子体及飞溅不在入射光束与焦点之间，有效地避免了等离子体屏蔽效应，大大提高了能量的利用效率。另外，还具有热效应小、切割速度快、切割面无锥度等优点。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的结构示意图。
图2为本实用新型另一实施例的结构示意图。
图3为本实用新型可以采用的光束整形单元的特殊实例示意图。
图4为本实用新型可以采用的光束整形单元的另一种特殊实例示意图。
具体实施方式
结合附图对本实用新型作进一步的描述。
本实用新型的激光器、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜、控制系统、吹气装置、真空及抽气装置、三维平台结构均为现有的。光束整形元件根据激光脉冲的峰值功率较高低，可选用一个光学衍射元件和一个扩束镜组成或两个光栅和一个扩束镜组成。
如图1所示，一种切割透明或半透明材料的激光装置，包括激光器1、光束整形元件2、同轴自动调焦/变焦及测高装置3、振镜4、控制系统8、吹气装置6、真空及抽气装置7，其特征在于：控制系统8分别与激光器1、同轴自动调焦/变焦及测高装置3、振镜4相连，激光器1、光束整形元件2、同轴自动调焦/变焦及测高装置3、振镜4依次按光路要求安装，且激光器1发出的激光束经过光束整形元件2及同轴自动调焦/变焦及测高装置3后进入振镜4，控制系统8控制振镜4，使振镜4出射的激光一直聚焦在待加工材料5的出射面上。吹气装置6安装在加工材料5的上表面位置，在切割过程中使用吹气装置6，对加工材料5进行冷却并吹走在上表面产生的粉尘或熔渣；真空及抽气装置7安装在在加工材料5的下表面位置，使切割下来的物质能迅速被移走。
如图2所示，一种切割透明或半透明材料的激光装置，包括激光器1、光束整形元件2、同轴自动调焦/变焦及测高装置3、固定光路切割头4、控制系统、三维平台、吹气装置6、真空及抽气装置7，固定光路切割头4由发射镜4a及聚焦镜4b组成，其特征在于：控制系统8分别与激光器1、 同轴自动调焦/变焦及测高装置3、三维平台9相连，激光器1、光束整形元件2、同轴自动调焦/变焦及测高装置3、发射镜4a及聚焦镜4b依次按光路要求安装，且激光器1发出的激光束经过光束整形元件2及同轴自动调焦/变焦及测高装置3后进入发射镜4a及聚焦镜4b，控制系统8控制三维平台9，使聚焦镜4b出射的激光一直聚焦在放置于三维平台9上待加工材料5的出射面上；吹气装置6安装在加工材料5的上表面位置，在切割过程中使用吹气装置，对加工材料进行冷却并吹走在上表面产生的粉尘或熔渣。真空及抽气装置7安装在在加工材料5的下表面位置，使切割下来的物质能迅速被移走。
从激光器发出的激光束经过光束整形元件及同轴自动调焦/变焦及测高装置后进入振镜或进入切割头，使之一直聚焦在待加工材料的出射面上。同轴自动调焦/变焦及测高装置自动测量加工材料的厚度与离振镜或固定光路切割头的距离，并使激光束开始聚焦在材料的出射面上。控制系统将切割的图形转化为控制信号并控制振镜在xy平面上的扫描路径或三维平台在xy平面上的运动路径。在加工时，振镜按照同轴自动调焦/变焦及测高装置所测量的材料厚度及预定的步速在z轴上向远离加工材料的上表面方向移动；或三维平台按照同轴自动调焦/变焦及测高装置所测量的材料厚度及预定的步速在z轴上向远离固定光路切割头的方向移动，使激光焦点在z轴上逐渐移向加工材料的上表面，实现自下而上切割直至加工材料完全被切穿。
在本实用新型中，所用的激光器1的波长一般在355nm至1064nm范围内，但不排除其它的激光波长，对一些特殊材料，激光器的波长可在上述波长范围之外。具体的激光波长取决于待加工的材料以及加工要求，待加工的材料是透明的或者半透明的。这是因为本实用新型的特点之一是切割始于透明材料的出射面，也就是需要激光束的大部分能量必须先透过材料，因此透明材料对加工所用波长的激光要有较低的线性吸收系数，以保证激光仅在焦点附近产生较强的吸收，而不会在功率密度较小的区域内产生过强的吸收。
在本实用新型中，所用的激光器脉冲宽度可为纳秒(甚至更宽)、皮秒或飞秒，具体的激光脉冲宽度取决于待加工的材料以及加工要求。由于纳秒激光的峰值功率较低，一般无需考虑自聚焦效应及其它非线性吸收，产生切割过程的能量主要来自材料的线性吸收，因此此时加工的材料不能是完全透明的。如果采用超短脉冲，由于其激光的峰值功率很高，可以利用其非线性吸收进行高品质的激光切割。
在本实用新型中，如果采用超短激光脉冲的非线性吸收特性进行激光切割，此时可能需要对激光做光束整形或脉冲整形。这是由于超快(包括皮秒和飞秒激光，尤其是飞秒激光)脉冲的峰值功率较高，很有可能在材料内部产生自聚焦，增加激光聚焦在材料出射面的难度。光束整形或脉冲整形可以实现空间分光或时间分光，达到抑制激光自聚焦效应。具体的整形方法取决于所用的激光和加工要求。一般来说皮秒激光可采用光束整形，利用衍射或折射整形器件对波前进行整形，如图3所示，其采用的光束整形单元2由一个光学衍射元件(DOE)2a及一个扩束镜2b组成。对飞秒激光则可采用脉冲整形，如图4所示，光束整形单元2由两个光栅(2c，2d)和一个扩束镜2b组成，在飞秒脉冲上加啁啾光栅，达到时间分光的目的。
本节中提到的光束整形和脉冲整形方法仅仅是为进行说明而采用的特例，在不脱离本实用新型的原理的情况下，其他整形方法也应视为本实用新型的保护范围。
在本实用新型中，同轴自动调焦/变焦及测高装置3通过测量材料5上下表面的反射光的光程差而计算出射面的焦点位置从而达到自动调焦与变焦，手工调整激光的焦点至出射面往往是比较困难的。另外，可以根据实际的加工要求，可在此装置上增加同轴或傍轴视觉功能，以进行精确定位或实时监控或结合切割软件实现自动化切割等。
在本实用新型中，经聚焦后的激光光斑需具有较小的焦深，以保证在烧蚀出射面的同时不会对材料内部造成较大的破坏，因为这种破坏会引起巨大的散射损失。这就要求光束整形单元具有较大的扩束倍率或聚焦装置具有较小的有效焦距，具体器件参数的选择取决于加工的材料、使用的激光器以及加工的要求。
在本实用新型中，焦点在z-轴上的移动应该与材料的出射面同步。随着材料的去除，材料越来越薄，出射面也是移动的。如果焦点的移动慢于出射面，则会影响加工速度并可能出现不必要的热积累；如果焦点的移动快于出射面，则材料没有切断。因此焦点在z-轴上的移动与材料的出射面同步可以达到最佳的切割效果。
需要强调的是：上述说明仅仅是本实用新型的一种基本实施方式，在实际生产中，相关工程技术人员可以在此实用新型的原理指导下，根据实际需求进行若干修改或改进，这些修改和改进也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种切割透明或半透明材料的激光装置，包括激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜、控制系统，其特征在于：控制系统分别与激光器、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜相连，激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、振镜依次按光路要求安装，且激光器发出的激光束经过光束整形元件及同轴自动调焦/变焦及测高装置后进入振镜，控制系统控制振镜，使振镜出射的激光一直聚焦在待加工材料的出射面上。
2.一种切割透明或半透明材料的激光装置，包括激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、固定光路切割头、控制系统、三维平台，其特征在于：控制系统分别与激光器、同轴自动调焦/变焦及测高装置、三维平台相连，激光器、光束整形元件、同轴自动调焦/变焦及测高装置、固定光路切割头依次按光路要求安装，且激光器发出的激光束经过光束整形元件及同轴自动调焦/变焦及测高装置后进入固定光路切割头，控制系统控制三维平台，使固定光路切割头出射的激光一直聚焦在放置于三维平台上待加工材料的出射面上。
3.根据权利要求1或2所述的切割透明或半透明材料的激光装置，其特征在于：还包括吹气装置，吹气装置安装在加工材料的上表面位置。
4.根据权利要求1或2所述的切割透明或半透明材料的激光装置，其特征在于：还包括真空及抽气装置，真空及抽气装置安装在在加工材料的下表面位置。
5.根据权利要求1或2所述的切割透明或半透明材料的激光装置，其特征在于：所述激光器的发出的激光波长在355－1064nm。
6.根据权利要求1或2所述的切割透明或半透明材料的激光装置，其特征在于：所述光束整形单元由一个光学衍射元件和一个扩束镜组成。
7.根据权利要求1或2所述的切割透明或半透明材料的激光装置，其特征在于：所述光束整形单元由两个光栅和一个扩束镜组成。
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