本發(fā)明涉及激光切割技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，特別涉及一種透明硬脆材料激光貫穿切割裝置以及切割方法，通常涉及諸如玻璃、藍寶石、透明陶瓷等的貫穿切割。

背景技術(shù)：

化學(xué)強化玻璃具有優(yōu)異的強度和抗損傷性，因而在消費類電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。強化玻璃是手機、平板電腦、計算機顯示以及其他LCD和LED顯示器的蓋板材料的首選材料?；瘜W(xué)強化玻璃具有處于壓力下的表面和處于張力下的內(nèi)部區(qū)域。與中心張力的平方成正比的彈性能儲存在此中心拉伸區(qū)內(nèi)?？祵幋笮尚刹ＡЭ纱嬖诖笥?50MPa的表面壓力和大于40μm的壓縮層深度。高表面壓力和深表面壓縮層對抗刮擦和抗損傷是有益的。但這使得傳動的機械加工共制造了困難，易產(chǎn)生爆裂或者分裂位置偏移，造成良品率很低。

激光切割不僅能夠連續(xù)精確地完成預(yù)定曲線圖案的切割，還可以實現(xiàn)高度自動化。現(xiàn)有激光加工玻璃技術(shù)中，激光切割玻璃技術(shù)分為激光熱熔切割、激光熱分離切割和激光刻蝕切割。激光熱熔切割會對玻璃產(chǎn)生強烈的熱影響，強化玻璃對熱影響很敏感，激光熱熔切割很難在強化玻璃上切割應(yīng)用，激光熱分離切割存在圓弧切割路徑控制困難。加工完成后，玻璃表面邊緣鋒利，且玻璃邊緣存在熱應(yīng)力。如果發(fā)生輕微磕碰，整個玻璃可能發(fā)生破碎。超短脈沖激光直接刻蝕玻璃避免進行玻璃切割時產(chǎn)生的熱效應(yīng)，但切割效率不高而且切割玻璃厚度有限制。

國內(nèi)科研機構(gòu)已經(jīng)研發(fā)出采用多刀隱形切割技術(shù)以及多光點切割技術(shù)切割玻璃。多刀切割技術(shù)與多光點切割技術(shù)存在切割斷面能量分布不均勻 的缺陷。如在多光點光路結(jié)構(gòu)中，相鄰的焦斑之間的能量較低的區(qū)域。這種區(qū)域的存在產(chǎn)生了加工質(zhì)量不穩(wěn)定，斷面質(zhì)量差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提供一種透明硬脆材料激光貫穿切割裝置以及切割方法，能夠解決了現(xiàn)有加工方式存在的缺陷，并滿足高效率、高質(zhì)量、低損傷閾值的要求。

為了解決以上提出的問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種透明硬脆材料激光貫穿切割裝置，包括激光器、擴束鏡、反射鏡、延長焦深光學(xué)器件和聚焦鏡；

所述激光器接收外部的脈沖信號形成脈沖包絡(luò)，擴束鏡將所述脈沖包絡(luò)進行擴束，并被反射鏡反射后，依次通過延長焦深光學(xué)器件和聚焦鏡形成激光光斑，所述聚焦光斑作用在加工材料上形成貫穿其厚度的材料改質(zhì)通道或材料改質(zhì)通道集群。

所述切割裝置還包括切深實時校正單元和Z軸微驅(qū)動單元，所述切深實時校正單元用于檢測加工材料的表面特征；所述Z軸微驅(qū)動單元根據(jù)所述表面特征帶動延長焦深光學(xué)器件和聚焦鏡整體沿Z軸方向運動，使聚焦光斑的位置隨著加工表面特征的變化而變化。

所述切割裝置還包括運動控制單元和XY運動平臺，所述XY運動平臺帶動加工材料沿X和Y方向運動；所述運動控制單元用于檢測XY運動平臺的運動信息，根據(jù)所述運動信息發(fā)送脈沖信號給激光器；所述激光器根據(jù)接收到的脈沖信號產(chǎn)生脈沖包絡(luò)，能夠控制加工材料內(nèi)部產(chǎn)生的材料改質(zhì)通道之間或材料改質(zhì)通道集群之間的間距。

所述激光器采用脈寬小于100ps的紅外皮秒激光器、綠光皮秒激光器、紅外飛秒激光器或綠光飛秒激光器中的任意一種。

所述加工材料內(nèi)材料改質(zhì)通道的間距為0.5μm-6μm。

所述加工材料內(nèi)材料改質(zhì)通道集群之間的間距為3-8μm。

所述擴束鏡能夠?qū)⒚}沖包絡(luò)擴束至3mm-16mm。

所述延長焦深光學(xué)器件的型號為EF-003-J-Y-A。

所述Z軸微驅(qū)動單元與加工材料上表面之間的距離為0-200μm。

一種透明硬脆材料激光貫穿切割方法，該切割方法具體步驟如下：

第一步：將加工材料放置在聚焦鏡的下方，并固定在XY運動平臺上；

第二步：設(shè)定Z軸微驅(qū)動單元的位置；

第三步：設(shè)定運動控制單元中脈沖信號的參數(shù)，即設(shè)定激光器產(chǎn)生脈沖包絡(luò)間距的距離以及脈沖包絡(luò)內(nèi)脈沖串間距的參數(shù)；

第四步：打開激光器，使其發(fā)出脈沖包絡(luò)；

第五步：脈沖包絡(luò)通過擴束鏡擴束以及反射鏡反射后，依次通過延長焦深光學(xué)器件和聚焦鏡形成聚集光斑,作用在加工材料內(nèi)部形成等間距的材料改質(zhì)通道或材料改質(zhì)通道集群；

第六步：加工材料沿切割路徑自行裂開，即切割完成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明中通過延長焦深光學(xué)器件能夠可靠地在加工材料內(nèi)部形成貫通的材料改質(zhì)通道，保證了加工材料可以沿著預(yù)定的路徑裂開，實現(xiàn)對加工材料高效的、精密的切割，從而滿足高效率、高質(zhì)量、低損傷閾值的要求。

2、本發(fā)明通過切深實時校正單元檢測加工材料的表面特征，Z軸微驅(qū)動單元根據(jù)其表面特征實現(xiàn)聚集光斑隨動，從而保證聚集光斑的位置隨著加工表面特征的變化而變化，這樣可以有效保證了切割的良率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明透明硬脆材料激光貫穿切割裝置的原理圖。

圖2為本發(fā)明作用在加工材料上的光路示意圖。

圖3為本發(fā)明脈沖信號的示意圖。

圖4為本發(fā)明加工材料內(nèi)部形成的材料改質(zhì)通道示意圖。

圖5為本發(fā)明透明硬脆材料激光貫穿切割方法的流程圖。

附圖標(biāo)記說明：1、激光器，2、擴束鏡，3、反射鏡，4、延長焦深光學(xué)器件，5聚焦鏡，6、切深實時校正單元，7、Z軸微驅(qū)動單元，8、加工材料，9、XY運動平臺；10、運動控制單元。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

參閱圖1所示，本發(fā)明提供的一種透明硬脆材料激光貫穿切割裝置，包括激光器1、擴束鏡2、反射鏡3、延長焦深光學(xué)器件4和聚焦鏡5。

所述激光器1接收外部的脈沖信號形成脈沖包絡(luò)，擴束鏡2將所述脈沖包絡(luò)進行擴束，并被反射鏡3反射后，依次通過延長焦深光學(xué)器件4和聚焦鏡5形成激光光斑，所述聚焦光斑作用在加工材料8上形成貫穿其厚度的材料改質(zhì)通道或材料改質(zhì)通道集群(參閱圖2A所示)。

本實施例中，為了安裝方便也為了保證功能可靠，所述反射鏡3、延長焦深光學(xué)器件4和聚焦鏡5由上之下依次設(shè)置在加工材料8的上方，所述激光器1和擴束鏡2水平設(shè)置在反射鏡3的一側(cè)。

上述中，所述切割裝置還包括切深實時校正單元6和Z軸微驅(qū)動單元7，所述Z軸微驅(qū)動單元7上安裝延長焦深光學(xué)器件4和聚焦鏡5，切深實時校 正單元6水平設(shè)置在Z軸微驅(qū)動單元7的一側(cè)。所述切深實時校正單元6用于檢測加工材料8的表面特征，Z軸微驅(qū)動單元7根據(jù)所述表面特征帶動延長焦深光學(xué)器件4和聚焦鏡5整體沿Z軸方向即上下運動(參閱圖2B所示)，從而保證聚焦光斑的位置隨著加工表面特征的變化而變化。

上述中，所述切割裝置還包括基于位置觸發(fā)的運動控制單元10和XY運動平臺9，所述XY運動平臺9上設(shè)置有加工材料8，并帶動加工材料8沿X和Y方向運動。所述運動控制單元10用于檢測XY運動平臺9的運動信息，根據(jù)所述運動信息發(fā)送脈沖信號給激光器1。所述激光器1根據(jù)接收到的脈沖信號產(chǎn)生脈沖包絡(luò)，可以控制加工材料8內(nèi)部產(chǎn)生的材料改質(zhì)通道之間或材料改質(zhì)通道集群之間的間距。所述脈沖包絡(luò)包含1個或多個脈沖串，而脈沖串又包含多個脈沖，參閱圖3所示。

所述激光器1采用脈寬小于100ps的紅外皮秒激光器、綠光皮秒激光器、紅外飛秒激光器或綠光飛秒激光器中的任意一種。

所述激光器1產(chǎn)生脈沖包絡(luò)內(nèi)的脈沖串在加工材料8內(nèi)部形成間距為0.5μm-6μm材料改質(zhì)通道，參閱圖4所示，形成材料改質(zhì)通道集群之間的間隔為3-8μm。材料改質(zhì)通道能夠改變材料內(nèi)部的應(yīng)力分布，材料借助其自身應(yīng)力或者施加外部條件增強材料的內(nèi)部應(yīng)力作用，沿切割路徑自行裂開。

所述擴束鏡2能夠?qū)⒚}沖包絡(luò)擴束至3mm-16mm，使脈沖包絡(luò)進入延長焦深光學(xué)器件4和聚焦鏡5，形成聚焦光斑的焦深能夠貫穿所述加工材料8。

根據(jù)需要切割的加工材料8的切割厚度，選擇聚焦焦深可以貫穿透明材料的延長焦深光學(xué)器件4，使其聚焦光斑在加工材料8內(nèi)部形成材料改質(zhì)通道，使得整個材料改質(zhì)通道貫穿加工材料8。在本實例中，采用的延長焦深光學(xué)器件4的型號為EF-003-J-Y-A，功能可靠并可以滿足要求。

所述Z軸微驅(qū)動單元7與加工材料8上表面之間的距離為0-200μm，這樣能夠確保材料改質(zhì)通道可以貫穿加工材料8。

如附圖5所示，本發(fā)明還提供一種透明硬脆材料激光貫穿切割方法，該切割方法具體步驟如下：

第一步：將加工材料8放置在聚焦鏡5的下方，通過真空吸附將加工材料8水平固定在XY運動平臺9上。所述加工材料8包括強化玻璃、非強化玻璃、藍寶石和透明陶瓷等。

第二步：設(shè)定Z軸微驅(qū)動單元7的位置，確保聚焦光斑作用在加工材料8內(nèi)部的特定位置。

第三步：設(shè)定運動控制單元10中脈沖信號的參數(shù)，即設(shè)定激光器1產(chǎn)生脈沖包絡(luò)間距的距離以及脈沖包絡(luò)內(nèi)脈沖串間距的參數(shù)。

第四步：打開激光器1，使其發(fā)出脈沖包絡(luò)。

第五步：脈沖包絡(luò)通過擴束鏡2擴束以及反射鏡3反射后，依次通過延長焦深光學(xué)器件4和聚焦鏡5形成聚集光斑,作用在加工材料8內(nèi)部形成等間距的材料改質(zhì)通道或材料改質(zhì)通道集群，可以改變加工材料8內(nèi)部的應(yīng)力分布。

第六步：加工材料8借助其自身應(yīng)力或者施加外部條件增強其內(nèi)部應(yīng)力作用，能夠沿切割路徑自行裂開，即切割完成。

本發(fā)明中，采用延長焦深光學(xué)器件4可以在有效焦深范圍內(nèi)，激光能量分布均勻，不存在類似多光點光路中的低能量區(qū)域，且加工后的材料斷面光滑整齊，切割質(zhì)量穩(wěn)定，在激光加工透明硬脆材料市場會有廣泛應(yīng)用。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。