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什么是飞秒激光切割?
- 2019-07-18-

超薄玻璃的应用日益广泛,某些方面尤其是在消费电子(制造光学元件和盖板玻璃)、平板显示等领域的应用对切割质量和切割成品率的要求非常严格,传统的玻璃切割技术已逐渐不能满足生产的要求。

如作为TFT-LCD基板的耐高温、高硬度硼硅玻璃和用于汽车方面的钢化玻璃等。从玻璃厚度方面而言,浮法玻璃的厚度已经达到了20mm以上,而用于平板显示方面的玻璃最薄已经达到0.15mm,有些应用于电子产品的玻璃甚至达到0.05mm。过薄或过厚的玻璃采用机械切割都会影响切割的成品率。

飞秒激光切割出来的玻璃边缘光滑、无横向微裂纹、无碎片,避免了在板材上出现划伤并且将玻璃破碎的可能性减小到最低程度。当激光技术用于浮法玻璃生产线的在线切割时,由于不需要二次掰边,所以原板玻璃的利用率得到了明显提高。

国内外对于飞秒激光切割的实验研究很少,从原理上讲,玻璃对红外激光的吸收远比金属好,而且玻璃是热的不良导体,玻璃切割所需要的激光功率比金属要低得多,所以玻璃的激光切割技术应该比金属更早应用于工业生产,但玻璃的激光切割市场却一直没有发展起来。

飞秒激光切割是一种拥有极短脉冲的激光,能量高,作用时间短,可以在避免材料融化的情况下瞬间将材料变成等离子体而挥发出去,在这极短的时间内,热量来不及在材料内堆积,从而避免了热效应的产生。而且,激光切割在计算机的辅助下能够连续地、精确地完成设定图案的曲线切割,使其在玻璃加工工业中有非常好的应用前景。

技术实现要素:
为解决上述技术问题本发明提供一种飞秒激光切割玻璃的方法,可解决玻璃切割过程中容易产生崩边、微裂纹以及分层等影响,提高切割良品率,简化工序。

一种飞秒激光切割玻璃的方法,该方法包括以下步骤:

提供待切割玻璃和飞秒激光器;

调光:所述激光器产生的激光束通过扩束准直镜调节准直和束腰半径;

聚焦:所述激光束经由聚焦透镜聚焦至所述玻璃工件内部;

切割:所述玻璃工件相对于聚焦激光束产生相对移动,实现玻璃的切割。


所述玻璃越厚所需要的激光单脉冲能量越高,透镜数值孔径越小,切割速度越慢,脉冲的重复频率越高,焦点距下表面的距离越远。所述玻璃根据其材质不同所需要的激光单脉冲能量不同,玻璃上表面非焦点的处的激光能量密度小于玻璃损伤阈值,焦点处的激光能量密度大于玻璃损伤阈值。

飞秒激光切割的有益效果为:本发明的一种飞秒激光切割超薄玻璃的方法,是一种利用脉冲范围在250~300飞秒的激光器所产生的激光束,采用聚焦透镜将激光束垂直入射至位于所述玻璃工件内部,激光束与玻璃工件按预先设定的路径做相对移动,利用微爆炸效果形成微裂纹,利用热应力使得裂纹扩展,玻璃工件沿着激光扫描路径自动裂开。利用超短脉冲和高脉冲的重复频率实现对玻璃工件的切割,这样,可以获得高精密度和平整的切割加工质量,解决玻璃切割过程中容易产生崩边、微裂纹以及分层等影响,提高切割良品率,简化了工序。


飞秒激光切割即脉冲宽度为飞秒的激光器,通常是利用锁模技术实现,飞秒,即毫微微秒,即1飞秒=10-15秒。在加工过程中飞秒激光器可以在激光振荡时获得很高振荡密度的激光能量,而且在加工过程中不会产生碎屑积聚现象。

飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应,它主要依靠多光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用的透明材料。飞秒脉冲作用时间极短,热效应小(几乎可以忽略),因而可以大大提高加工精度。近红外区的飞秒激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点,它可以深入透明材料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微加工。

飞秒激光切割玻璃的方法,包括以下步骤:采用脉冲宽度在250~300飞秒的固体飞秒激光器,飞秒激光器产生的激光束经由扩束准直镜调节准直和束腰半径;激光束经聚焦透镜1聚焦至距下表面的距离为整个玻璃厚度的1/3处,即图1中2处;激光束与玻璃工件进行相对移动,使得焦点在内部形成多个微裂点,高重频会有热累积产生热应力,热应力会使微裂点形成微裂纹扩展到上下表面形成上下贯穿的裂纹,该裂纹会随着激光束的移动而继续扩展,最后按设定切割路径3自动断开,无需借助外力进行扳边,工序简单。

飞秒激光切割是利用玻璃对近红外激光高透过率,而实现的深入玻璃内部的切割加工,玻璃工件内部激光辐射能量产生机械应力,在特定的条件下,热应力会导致上下贯穿的初始裂纹,裂纹会随着激光轨迹扩展。然后,切割部分会按设定路径自动断开,无需任何外力,而且断面光滑无表面缺陷。

飞秒激光切割玻璃的具体过程如下;
(1)将一块表面较为平整的载玻片置于三维移动平台XYZ水平工作台上;
(2)移动三维平台使得聚焦点在载玻片表面;
(3)将尺寸60mm×120mm,厚度为0.33mm的玻璃样品置于载玻片上,移动三维平台使得聚焦点在距玻璃下表面的130μm处;
(4)采用波长为520nm、脉冲宽度为250fs,脉冲的重复频率为100kHz,单脉冲能量6μJ的飞秒激光作为切割激光束,采用数值孔径为0.25的透镜1进行聚焦,聚焦后的激光束直接入射至玻璃工件内部,聚焦后的光斑直径为5μm,通过三维平台的移动完成玻璃的切割。

飞秒激光切割,切割后玻璃边缘质量较好。

飞秒激光切割适合用于各种超薄玻璃的切割,只需要调整合适的参数即可。