專利名稱：一種納秒激光切割玻璃的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光加工技術，特別是涉及一種納秒激光切割玻璃的方法及裝置。
背景技術：
超薄玻璃因其特有的防護性能、光學性能及視覺效果等優(yōu)點，越來越多地被用來替代聚碳酸酯(PC)和亞克力(PMMA)片材作為觸摸屏手機、平板電腦視窗防護屏的材料。但由于天生的脆裂性，超薄玻璃對裂紋缺陷非常敏感，在鉆孔、外形加工方面難度很高。為了將大塊超薄玻璃切割成視窗防護屏所需要的形狀，目前常規(guī)加工方法的主要步驟是(1)開料將大塊玻璃切割成比最終成品尺寸略大的毛坯，主要工作原理是采用金剛石砂輪片或硬質(zhì)合金輪在玻璃表面劃線，再由機械應力的方式將玻璃分斷，制得毛坯玻璃；(2)數(shù)控機床(computer numerical control，縮略詞為CNC)精雕加工通過CNC加工使毛坯玻璃在長寬、倒角、槽、孔等方面達到最終成品尺寸要求，具體方法是通過CNC精雕機砂輪槽(表面覆有金剛砂涂層)對開料后的毛坯玻璃進行磨邊處理，磨削掉余量，并通過砂輪槽對毛坯進行倒角處理；通過表面覆有金剛砂涂層的鉆頭進行開孔、開槽并磨邊，最終達到成品要求的結(jié)果。以上加工方法不可避免的會在玻璃表面產(chǎn)生碎屑，需要用水不停地沖洗，微小碎粒屑還可能造成對玻璃表面質(zhì)量的損傷，需要增加研磨、拋光、清洗過程；另外由于是接觸式機械加工，容易使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生應力和微裂紋，降低玻璃的機械應力強度， 有較高的斷裂危險性，從而降低成品率；加工圖形的尺寸受精雕機刀具尺寸限制，目前可以加工最小孔徑僅為0. 8mm的孔槽；該工藝涉及多種加工設備、步驟多，精雕時還需要定制夾具，加工周期長，生產(chǎn)效率低。隨著手機、平板電腦不斷向薄型化方向發(fā)展，用在平板電腦中的視窗防護屏玻璃厚度已從原來的1. Imm減薄到了 0.6或0. 7mm，手機用的玻璃厚度變得更薄，已下降到 0. 3mm或更小，采用上述機械方法切割視窗防護屏，難度越來越大，高度影響切割工藝的品質(zhì)及良率。為了替代機械方式，中國專利CN1304312C公開了一種觸摸板的玻璃、該觸摸板和具有該觸摸板的便攜終端，提出了激光照射和強制冷卻的切割方法，該方法利用玻璃材料強吸收的CO2激光對玻璃表面進行局部加熱產(chǎn)生熱應力，在外部吹氣或噴水強制冷卻下，使玻璃表面產(chǎn)生較大的拉應力，如果該應力超過玻璃材料的破裂強度，裂紋就擴展進而達到斷裂，從而實現(xiàn)玻璃切割。當利用冷卻體進行急速冷卻時溫度差異過大，容易損傷玻璃材料，產(chǎn)生不希望的裂紋。該工藝另一個關鍵是控制裂紋擴展方向，如果裂紋得不到很好的控制，就會嚴重影響到切割質(zhì)量，甚至使切割失敗。目前采用的方法就是切割前在玻璃的表面進行劃線，使玻璃沿著劃線的方向產(chǎn)生斷裂，但這無疑又增加了工藝的復雜性、降低了生產(chǎn)效率。為了解決這種問題，中國專利申請CN101391860A公開了一種利用超短脈沖激光束的基板切割裝置及其切割方法，利用飛秒或皮秒的超短脈沖激光，使其激光束聚焦于切割的玻璃基板內(nèi)部，沿著設定的切割路徑進行照射，引導玻璃內(nèi)部出現(xiàn)成絲現(xiàn)象，在玻璃內(nèi)部形成切割槽，從而以簡單的工藝無裂紋及無損傷地實現(xiàn)玻璃的精確切割；該方法無需冷卻體，但所采用的激光器價格昂貴，加工成本高，難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是彌補上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種納秒激光切割玻璃的方法及裝置，其成本低，切割的準確度高，適合工業(yè)化應用。本發(fā)明的技術問題通過以下的技術方案予以解決 一種納秒激光切割玻璃的方法，包括如下步驟
聚焦步驟將由納秒激光器發(fā)出的激光束通過聚焦鏡，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃樣品的上表面入射，使所述激光束的焦點位于所述玻璃樣品的下表面；
切割步驟按預先設定的掃描路徑，使激光束與所述玻璃樣品發(fā)生相對移動，在玻璃樣品下表面形成一個破裂帶，同時在激光照射區(qū)的玻璃樣品上表面吹壓縮氣體冷卻，加速破裂帶向玻璃樣品的上表面擴展，直至玻璃分裂成所需的圖形。由于激光束在到達玻璃樣品表面前通過聚焦鏡聚焦，使焦點位于玻璃樣品的下表面，玻璃樣品對激光能量的吸收是體吸收形式，激光束穿透玻璃樣品，激光束焦點處的能量密度超過玻璃的破壞閾值，在玻璃下表面微小區(qū)域獲得高的能量密度，形成微小燒蝕點后經(jīng)過冷卻使破裂帶上升，避免了激光與玻璃樣品作用產(chǎn)生的等離子體對加工過程的影響， 保持玻璃表面整潔無污染，且在整個切割過程中焦點始終位于玻璃樣品的下表面，使得玻璃的開裂均勻通透，可得到更好的切割質(zhì)量。優(yōu)選的，在聚焦步驟之前還包括浸沒步驟切割前，將待切割的玻璃樣品浸沒在潔凈的液體中。當玻璃樣品與液體接觸，液體能流進激光切割的破裂帶，帶走切割時產(chǎn)生的玻璃碎屑和等離子體，破裂帶不會吸合，保證切口整潔穩(wěn)定；同時由于液體的冷卻作用，玻璃樣品局部不會因溫度升高過快，引起不規(guī)則的開裂。優(yōu)選的，所述浸沒步驟中所述液體是蒸餾水，所述玻璃樣品的上表面至少低于液面廣2mm。水作為冷卻介質(zhì)是最經(jīng)濟的，尤其是蒸餾水，里面沒有雜質(zhì)，不會影響加工效果。優(yōu)選的，所述切割步驟中壓縮氣體的噴射方向與激光束同軸。切割的同時吹壓縮氣體，可加速玻璃上表面迅速冷卻，現(xiàn)有的激光切割方法采用的冷卻方式是氣流位于激光束后方，而本發(fā)明的壓縮氣體的噴射方向與激光束同軸，能產(chǎn)生足夠大的拉應力使裂縫沿激光軌跡均勻擴展，可以使得破裂帶向玻璃樣品的上表面擴散的速度更快，切割更加準確和迅速。優(yōu)選的，所述聚焦鏡的數(shù)值孔徑為0. 3^0. 7。優(yōu)選的，所述聚焦步驟中納秒激光器發(fā)出的激光束的參數(shù)為脈寬5 30ns，波長 355 1064nm，脈沖頻率廣IOOKHz，脈沖能量廣10mJ。優(yōu)選的，所述的玻璃樣品的厚度為0. ImnTl. 2mm。
一種納秒激光切割玻璃的裝置，包括納秒激光器和激光切割頭，所述激光切割頭包括聚焦鏡和壓縮氣體噴嘴，所述激光切割頭設有用于激光束和壓縮氣體通過的通道，所述納秒激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過所述聚焦鏡垂直所述玻璃樣品的上表面入射，所述聚焦鏡設置在所述通道上，用于使所述激光束的焦點位于所述玻璃樣品的下表面；所述壓縮氣體噴嘴吹出的壓縮氣體通過所述通道，用于冷卻激光照射區(qū)的玻璃上表面。
優(yōu)選的，還包括裝有液體的容器和置于所述容器中的支架，所述玻璃樣品置于所述支架上，并浸沒在所述液體中。優(yōu)選的，所述液體為蒸餾水，所述玻璃樣品的上表面至少低于液面廣2mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術對比的有益效果是由于采用了以上方案，使激光束的焦點位于玻璃樣品的下表面，同時采用在激光照射區(qū)的玻璃上表面吹壓縮氣體冷卻的方式輔助納秒激光切割玻璃，其具有如下優(yōu)勢1、與傳統(tǒng)的機械切割技術相比，由于沒有機械力施加在玻璃上，因此很少產(chǎn)生橫向微裂紋，僅利用簡單的工序就能實現(xiàn)快速且高精度的超薄玻璃切割加工，能直接從大塊玻璃分割出比較復雜的圖形，不需要研磨、拋光等工序，簡化了整個制作工序，同時能有效利用原材料。2、與激光照射和強制冷卻的切割方法相比，該方法在玻璃的下表面開槽同時利用玻璃對激光體吸收特性，可進一步提高切割的準確性，防止不希望的切割、裂紋以及損傷，使不良率極小化。3、與飛秒或皮秒的超短脈沖激光切割相比， 所采用的納秒激光器成本要低得多，而且加工速度快，切割速度可達到100mm/S，適合工業(yè)化應用。


圖1為本發(fā)明實施例中的納秒激光切割玻璃的裝置示意圖2為用圖1的裝置將一塊超薄玻璃基板切割成多塊手機視窗防護屏的加工示意圖； 圖3是圖2中切割后的手機視窗防護屏示意圖。圖中，1為三維平臺的XY水平工作臺，2為容器，3為蒸餾水，4為玻璃樣品，5為激光切割頭，6為激光束，7為聚焦鏡，8為壓縮氣體噴嘴，9為支架，10為破裂帶，11為微燒蝕點，12為玻璃碎渣，13為視窗防護屏圖形。
具體實施例方式下面對照附圖和結(jié)合優(yōu)選具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細的闡述。一種納秒激光切割玻璃的方法，包括以下步驟
聚焦步驟將由納秒激光器發(fā)出的激光束通過聚焦鏡，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃樣品的上表面入射，使所述激光束的焦點位于所述玻璃樣品的下表面；
切割步驟按預先設定的掃描路徑，使激光束與所述玻璃樣品發(fā)生相對移動，在玻璃樣品下表面形成一個破裂帶，同時在激光照射區(qū)的玻璃樣品上表面吹壓縮氣體冷卻，加速破裂帶向玻璃樣品的上表面擴展，直至玻璃分裂成所需的圖形。一種納秒激光切割玻璃的裝置，包括納秒激光器和激光切割頭，所述激光切割頭包括聚焦鏡和壓縮氣體噴嘴，所述激光切割頭設有用于激光束和壓縮氣體通過的通道，所述納秒激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過所述聚焦鏡垂直所述玻璃樣品的上表面入射，所述聚焦鏡設置在所述通道上，用于使所述激光束的焦點位于所述玻璃樣品的下表面；所述壓縮氣體噴嘴吹出的壓縮氣體通過所述通道，用于冷卻激光照射區(qū)的玻璃上表面。下面通過優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步說明在優(yōu)選的實施例中，聚焦鏡的數(shù)值孔徑(numerical aperture，縮略詞為NA)為0. 3 0. 7，激光束的參數(shù)為脈寬5 30ns，波長 355 1064nm，脈沖頻率廣ΙΟΟΚΗζ，脈沖能量廣10mJ，該波段范圍的激光能穿透玻璃，玻璃對激光能量的吸收是體吸收形式，所述的玻璃樣品的厚度為0. ImnTl. 2mm。
實例一
如圖1所示，納秒激光切割玻璃的裝置，包括三維平臺的XY水平工作臺1、放置在XY水平工作臺1上的盛有蒸餾水3的容器2、置于容器2中的支架9，玻璃樣品4置于支架9上， 并浸沒在蒸餾水3中，玻璃樣品4的上表面低于液面廣2mm，水溫為室溫，還包括納秒激光器和激光切割頭5，激光切割頭5包括聚焦鏡7和壓縮氣體噴嘴8，激光切割頭5設有用于激光束6和壓縮氣體通過的通道，納秒激光器發(fā)出激光束經(jīng)過光闌、擴束準直鏡、45度反射鏡 (光闌、擴束準直鏡、45度反射鏡在圖中均未標示)，最后經(jīng)聚焦鏡7聚焦垂直玻璃樣品4的上表面入射，聚焦鏡7設置在所述通道上，在三維平臺的Z垂直軸上，用于使激光束6的焦點始終位于玻璃樣品4的下表面；壓縮氣體噴嘴8吹出的壓縮氣體通過所述通道，這樣壓縮氣體的噴射方向與激光束同軸，用于冷卻激光照射區(qū)的玻璃上表面。如圖1、2所示，納秒激光切割玻璃的方法如下
(1)將盛有蒸餾水的容器2放置在三維平臺的XY水平工作臺1上；
(2)將尺寸為440mmX360 mm，厚度為1. 2mm的玻璃樣品4放置在容器2中的支架9 上，玻璃樣品4浸沒在蒸餾水3中，玻璃樣品上表面低于液面廣2mm ；
(3)采用中心波長為1064nm、脈沖寬度為8ns、重復頻率為35kHz、脈沖能量可達5mJ 的納秒激光作為切割激光束，調(diào)整好能量的納秒激光束6由聚焦鏡7 (NA=O. 45，工作距離 (即聚焦鏡與玻璃樣品之間的距離)為19. 5mm)聚焦，聚焦的納秒激光束垂直入射到玻璃4 的上表面，可以通過上下移動聚焦鏡7使納秒激光束的焦點達到玻璃下表面上，聚焦后的光斑直徑為10 μ m，并始終保持焦點位于玻璃的下表面，如圖1所示；
(4)輸出激光束6，開啟壓縮氣體噴嘴8，吹壓縮氣體，按預先設定的掃描路徑控制XY 水平工作臺1帶動玻璃樣品4與激光束6作相對運動，直至玻璃分裂成所需的圖形。玻璃樣品中被激光聚焦照射的地方會被燒蝕，形成微燒蝕點11，玻璃碎渣12從底部飛出并融入水3中，如圖2所示，切割速度為100mm/S，用于冷卻的壓縮氣體可以是壓縮空氣、氮氣、氬氣、二氧化碳、氦氣等非易燃性氣體，氣壓為0. 1-5. Okg/cm2，本實施例為壓縮空氣，氣壓為5 kg/cm2。切割后的玻璃用于手機視窗防護屏，如圖3所示。實施例二和實施例三
實施例二和實施例三采用表一中的納秒激光器和工藝參數(shù)，按照實施例一相同的工作過程進行，切割后的玻璃邊緣質(zhì)量較好。表一
權利要求
1.一種納秒激光切割玻璃的方法，其特征在于包括如下步驟聚焦步驟將由納秒激光器發(fā)出的激光束通過聚焦鏡，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃樣品的上表面入射，使所述激光束的焦點位于所述玻璃樣品的下表面；切割步驟按預先設定的掃描路徑，使激光束與所述玻璃樣品發(fā)生相對移動，在玻璃樣品下表面形成一個破裂帶，同時在激光照射區(qū)的玻璃樣品上表面吹壓縮氣體冷卻，加速破裂帶向玻璃樣品的上表面擴展，直至玻璃分裂成所需的圖形。
2.如權利要求1所述的納秒激光切割玻璃的方法，其特征在于在聚焦步驟之前還包括浸沒步驟切割前，將待切割的玻璃樣品浸沒在潔凈的液體中。
3.如權利要求2所述的納秒激光切割玻璃的方法，其特征在于所述浸沒步驟中所述液體是蒸餾水，所述玻璃樣品的上表面至少低于液面廣2mm。
4.如權利要求1-3任意一項所述的納秒激光切割玻璃的方法，其特征在于所述切割步驟中壓縮氣體的噴射方向與激光束同軸。
5.如權利要求1-3任意一項所述的納秒激光切割玻璃的方法，其特征在于所述聚焦鏡的數(shù)值孔徑為0. 3^0. 7。
6.如權利要求1-3任意一項所述的納秒激光切割玻璃的方法，其特征在于所述聚焦步驟中納秒激光器發(fā)出的激光束的參數(shù)為脈寬5 30nS，波長355 1064nm，脈沖頻率廣IOOKHz，脈沖能量廣IOmJ。
7.如權利要求1-3任意一項所述的納秒激光切割玻璃的方法，其特征在于所述的玻璃樣品的厚度為0. ImnTl. 2mm。
8.—種納秒激光切割玻璃的裝置，其特征在于包括納秒激光器和激光切割頭，所述激光切割頭包括聚焦鏡和壓縮氣體噴嘴，所述激光切割頭設有用于激光束和壓縮氣體通過的通道，所述納秒激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過所述聚焦鏡垂直所述玻璃樣品的上表面入射， 所述聚焦鏡設置在所述通道上，用于使所述激光束的焦點位于所述玻璃樣品的下表面；所述壓縮氣體噴嘴吹出的壓縮氣體通過所述通道，用于冷卻激光照射區(qū)的玻璃上表面。
9.如權利要求8所述的納秒激光切割玻璃的裝置，其特征在于還包括裝有液體的容器和置于所述容器中的支架，所述玻璃樣品置于所述支架上，并浸沒在所述液體中。
10.如權利要求9所述的納秒激光切割玻璃的裝置，其特征在于所述液體為蒸餾水， 所述玻璃樣品的上表面至少低于液面廣2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納秒激光切割玻璃的方法，包括聚焦步驟將由納秒激光器發(fā)出的激光束通過聚焦鏡，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃樣品的上表面入射，使激光束的焦點位于玻璃樣品的下表面；切割步驟按預先設定的掃描路徑移動激光束，使激光束與玻璃樣品發(fā)生相對移動，在玻璃下表面形成一個破裂帶，同時在激光照射區(qū)的玻璃上表面吹壓縮氣體冷卻，加速破裂帶向玻璃樣品的上表面擴展，直至玻璃分裂成所需的圖形；本發(fā)明的方法切割的準確性高，質(zhì)量高，成本低，適合工業(yè)化應用。
文檔編號C03B33/08GK102229466SQ20111014922
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者侯若洪, 容錦泉, 蔡志祥 申請人:深圳光韻達光電科技股份有限公司