CN103008887A - 利用超短脉冲激光从两面切割加工对象物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用超短脉冲激光从两面切割加工对象物的方法和装置，其中该方法包括：提供第一激光束和第二激光束；将第一激光束聚焦于加工对象物的第一侧的表面上，由此对第一侧的表面进行切割；将第二激光束聚焦于加工对象物的与所述第一侧相反的第二侧的表面上，由此对第二侧的表面进行切割；使第一激光束和第二激光束的焦点同时向加工对象物的内部移动，由此在加工对象物的内部形成相应的切割区；当第一激光束和第二激光束在加工对象物的内部形成的切割区交汇时使加工对象物被分割开。本发明还涉及利用上述方法切割加工对象物的装置。

Description

利用超短脉冲激光从两面切割加工对象物的方法和装置

技术领域

本发明涉及利用激光对加工对象物进行的加工和/或切割，特别涉及利用激光对盖板玻璃以及触摸屏技术领域所使用的玻璃等透明材料进行的微加工。更具体来说，本发明提出了一种利用超短脉冲的双光路激光在Gorilla、Sodalime及Dragontrail钢化玻璃的两面进行异形切割的方法和装置。

背景技术

Gorilla、Sodalime及Dragontrail钢化玻璃由于其具有的高透性及高强度而被广泛应用于制造显示屏器件。在制造显示屏器件时，需要对玻璃进行切割。传统的玻璃切割工艺主要是利用刀轮切割、磨棒研磨及二氧化碳激光进行切割。利用刀轮切割只能对未钢化的玻璃进行外形的直线切割和半径较大的曲线切割，切割之后还需要进行裂片才能得到完整的外形。而对于钢化后的Gorilla、Sodalime及Dragontrail玻璃，刀轮则很难切割。对于玻璃内部封闭区域的切割，则只能先用钻头钻个小孔，再换不同的磨棒研磨至要求的尺寸。这种情况下，磨棒的损耗很大，其效率还很低。二氧化碳激光切割工艺也只适用于对普通玻璃和钢化程度较低的玻璃进行切割，切割后同样需要裂片工序，对于内部封闭区域也无法加工。

因此，对于Gorilla、Sodalime及Dragontrail钢化玻璃，目前的各种加工方法都不能实现有效稳定的异形切割，仍需要将未钢化的玻璃切割研磨后再进行钢化处理，造成效率极低。

激光切割技术指的是以激光束为热源，采用热去除方法实现材料的分离，从而形成切割道的材料加工方法。具体而言，激光束被聚焦在材料表面，使得材料表面温度急剧升高而达到材料的蒸发气化状态，从而实现材料的去除。这其中包含了材料对光束能量的吸收和材料中的热传导过程。在此过程中，材料被加热发生急剧气化的过程，主要取决于激光与材料作用的时间和激光光束的强度。

随着手机、平板电脑等电子显示行业的持续增长，需要大量的Gorilla、Sodalime及Dragontrail玻璃作为高端应用的制造材料，而上述传统加工方式已经无法满足这样的需求。因此，特别需要一种突破传统的对Gorilla、Sodalime及Dragontrail玻璃进行异形加工的方法和装置。虽然激光作为现代工业中先进的加工手段，越来越受到各个行业的重视，通过激光来实现玻璃切割的可行性和实用性也得到越来越多的验证，但是目前还没有一种能以高效率、高质量和高精度对Gorilla、Sodalime及Dragontrail钢化玻璃进行异形切割的装置和工艺方法。

因此，本发明的一个目的在于提供一种利用超短脉冲的双光路激光在Gorilla、Sodalime及Dragontrail钢化玻璃的两面进行异形切割的装置和方法。利用这样的装置和方法，能够克服传统玻璃加工工艺中存在的效率较低，无法对上述Gorilla、Sodalime及Dragontrail钢化玻璃进行异形加工的缺点。而且，运用高频超短脉冲激光器对Gorilla、Sodalime及Dragontrail未钢化及钢化后的玻璃进行加工时，通过在玻璃两面同时进行切割，可保证切割时玻璃两面的应力平衡，从而提高切割的稳定性，并能显著改善切割边缘的效果。

发明内容

本发明提出了一种所谓“双光路”的超短脉冲激光的光路聚焦及扫描***，其能够实现对加工对象物（如Gorilla、Sodalime及Dragontrail玻璃等透明材料）从两面同时进行切割，从而获得对Gorilla、Sodalime及Dragontrail玻璃进行的高效稳定的加工。

总的来说，本发明的利用激光切割加工对象物（在本发明的实施例中为透明材料）的装置主要包括具有产生激光束的激光器的激光源部分，利用光学扫描聚焦***以双光路从两面上对工件进行加工的激光光路部分，以及夹持和移送工件的激光加工部分。另外，本发明的装置还可包括吹气***和集尘***，用于去除和收集利用激光切割透明材料的过程中产生的残渣。

本发明的利用激光切割透明材料的加工过程可简述为以下步骤：

1、利用两个光路分别对激光器发出的激光（优选为超短脉冲激光）进行光学聚焦，将激光分别聚焦在透明材料两侧的表面上。在此可以最优化的方式高效运用激光器的能量，从而提高加工效率；

2、利用光学扫描聚焦***，使激光束运动加工出所需要的图形，并使两路激光的焦点从透明材料外侧向内部移动。一段时间后，当焦点移动到透明材料中间的某一交汇位置时，透明材料被完全分割；

3、在切割加工过程中，可以辅以吹气、集尘装置，以便及时将切割残渣去除，从而获得高质量、高效率的加工效果。

尽管本说明书在下文中以具体实施方式对本发明作了示例性的说明，但本发明的具体发明内容和保护范围应由说明书所附的权利要求书来限定。

具体而言，本发明提出了一种利用激光切割加工对象物的方法，包括：提供第一激光束和第二激光束；将第一激光束聚焦于加工对象物的第一侧的表面上，由此对第一侧的表面进行切割；将第二激光束聚焦于加工对象物的与所述第一侧相反的第二侧的表面上，由此对第二侧的表面进行切割；使第一激光束和第二激光束的焦点同时向加工对象物的内部移动，由此在加工对象物的内部形成相应的切割区；当第一激光束和第二激光束在加工对象物的内部形成的切割区交汇时使加工对象物被分割开。

在本发明中，第一激光束和第二激光束可以是由一激光源将其发出的激光束经光学***调制成两路激光而产生的。

本发明的激光源可以是超短脉冲激光器，优选为波长范围为266-1064nm的纳秒、皮秒或飞秒激光器。

在一种实施例中，上述加工对象物为Gorilla、Sodalime或Dragontrail玻璃等透明材料。

根据本发明的优选实施例，第一激光束与第二激光束相对于加工对象物大体同轴布置。

根据本发明的优选实施例，第一激光束与第二激光束以规定间隔由加工对象物的外侧向其内部逐层地对加工对象物进行切割。

本发明还提出了一种利用激光切割加工对象物的装置，包括：激光源部分，包括产生激光束的激光器；激光光路部分，用于将由激光器产生的激光束分成第一激光束和第二激光束，并将第一激光束和第二激光束分别聚焦在待切割的加工对象物两侧的表面上，使第一激光束和第二激光束运动加工出所需要的图形，并通过将第一激光束和第二激光束的焦点向加工对象物的内部移动到一交汇处使加工对象物被分割开；激光加工部分，其包括夹持加工对象物的夹具以及使加工对象物在加工后被移出的移送***。

在本发明的装置中，激光器优选是波长范围为266-1064nm的纳秒、皮秒或飞秒激光器。

在一种实施例中，本发明的装置中的激光光路部分包括光学扫描聚焦***，其使第一激光束和第二激光束运动加工出所需要的图形，并通过将第一激光束和第二激光束的焦点向加工对象物的内部移动到交汇处。

根据本发明的优选实施例，光学扫描聚焦***包括3D动态扫描聚焦镜和3D动态聚焦振镜。

根据本发明的优选实施例，本发明的装置还包括吹气***和集尘***，用于去除和收集利用激光切割加工对象物的过程中产生的残渣。

在一种实施例中，本发明的装置切割的加工对象物为Gorilla、Sodalime或Dragontrail玻璃等透明材料。

本发明的利用超短脉冲的双光路激光对工件进行双面切割的工艺与传统加工方法相比具有许多独到之处：

(1)本发明工艺的加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。

(2)本发明的工艺易于加工复杂型面和微细表面。

(3)本发明的工艺易于获得良好的切割截面质量，同时切割碎屑污染，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。

(4）利用本发明的工艺能够在封闭区域进行钢化玻璃的异形切割，并能获得极高的稳定性。

(5）本发明的激光切割装置中的3D动态扫描聚焦镜和双光路***能大幅提升加工效率。

(6)利用本发明的工艺，使得各种加工方法易于复合形成新的工艺方法，便于推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明：

图1为根据本发明的利用超短脉冲的双光路激光对钢化玻璃进行双面切割的装置的示例性图示。

具体实施方式

总的来说，在本发明的利用激光对加工对象物（例如Gorilla、Sodalime及Dragontrail钢化玻璃等透明材料）进行切割的装置中，使用了超短脉冲激光器。优选地，该超短脉冲激光器可以是波长范围为266-1064nm的纳秒及皮秒、飞秒激光器。由于超短脉冲激光的脉冲周期短于绝大多数化学和物理反应，比如机械和热力学的特征时间等，而其峰值功率又极高，所以在超短脉冲激光与物质的相互作用中会产生独特的多光子吸收过程，使得其加工精度可以突破相干极限的瓶颈，从而使纳米加工和相应微/纳电子、微/纳光学的许多构想成为可能。利用超快激光脉冲序列，还可以控制电离过程、选择性地电离原子、控制分子中基态转动等。

利用本发明的激光加工装置可以对Gorilla、Sodalime及Dragontrail未钢化及钢化玻璃等透明材料进行稳定有效的加工及切割。总体来看，本发明的激光加工装置可生成两束超短脉冲激光，并且可利用激光加工装置的光学扫描聚焦***将两束超短脉冲激光分别聚焦在透明材料（如Gorilla、Sodalime及Dragontrail未钢化及钢化玻璃）的两侧。为实现精确稳定的切割，并保证切割时玻璃两面的应力平衡，分别聚焦在玻璃两侧的两个超短脉冲激光束大体同轴布置。另外，可以利用特定间隔和特定顺序逐层对透明材料进行切割。对于不同的透明材料厚度，可形成合适的切割间隔。通过将两束超短脉冲激光的焦点由透明材料的表面向透明材料内部运动，使得在透明材料的两面同时进行加工和/或切割。当两束超短脉冲激光的焦点交汇于透明材料中间的某一位置时，透明材料被完全切穿，从而实现切割透明材料的目的。

图1中示出了根据本发明的利用超短脉冲的双光路激光对钢化玻璃进行双面切割的装置的一个实施例。

本发明的激光加工装置包括激光源部分、激光光路部分和激光加工部分。如上所述，由于超短脉冲激光器本身作为加工激光的技术优势，本发明激光加工装置的激光源部分优选包括的是超短脉冲激光器1。该超短脉冲激光器可以是波长范围为266-1064nm的纳秒及皮秒、飞秒激光器。

本发明的激光加工装置的激光光路部分的作用是将由超短脉冲激光器1产生的激光束分成两路激光束，并通过激光聚焦***将这两路激光束分别聚焦在待切割加工的工件（在本实施例中例如是Gorilla、Sodalime或Dragontrail钢化玻璃）的两侧的表面上。如图1所示，根据本实施例，激光光路部分可包括光闸2、格兰棱镜衰减模组3、扩束镜4、光阑5、45度半反半透镜6、45度全反射镜7、3D动态扫描聚焦镜8和3D动态聚焦振镜11。如在以下描述的，通过这些光学器件，可将由超短脉冲激光器1产生的激光束分成两路激光束，并将这两路激光束分别聚焦在待切割加工的钢化玻璃两侧的表面上。如图1所示，为实现精确稳定的切割，并保证切割时玻璃两面的应力平衡，分别聚焦在玻璃两侧的两个超短脉冲激光束大体同轴布置。应该理解的是，上述激光光路的组成和布置只是为了便于说明本发明给出的示例，本领域技术人员可根据实际情况采用不同的设计，只要在待加工的对象物的两侧表面上分别使激光束聚焦，并如下所述在后续步骤中使两束激光的焦点移动到加工对象物中的交汇处即可。

具体来看本发明的激光加工装置的工作。首先，超短脉冲激光器1发出的激光利用电动光闸2来控制激光的开关，其优选可以由相应的软件控制感应信号来控制光闸2的开启和关闭，从而实现激光器1的外部控制激光开关。光闸2控制激光开光后经过格兰棱镜衰减模组3，提高激光的稳定性和光束质量。此后激光经扩束镜4对光束进行同轴扩束，这一方面能改善光束传播的发散角，达到光路准直的目的，另一方面可以控制激光最终聚焦光斑的大小，以得到理想的光斑大小，进而实现利用激光稳定切割的目的。光阑5可以将激光边缘质量不好的光去除，以便进一步提高激光束的质量。光束经一片45度半反半透镜6和45度全反射镜7后，形成垂直改向的两个光路。这两路光束经过其对应的3D动态扫描聚焦镜8和3D动态聚焦振镜11分别聚焦在钢化玻璃两侧的表面上。

本发明激光加工装置的控制***可将要切割的图形转化为数字信号，然后驱动3D动态聚焦振镜11中的反射镜片对该图形进行扫描加工。在3D动态聚焦振镜11上可设置同轴CCD 10，以便在加工开始前对工件进行精确定位。例如，其可利用抓靶程序抓取工件上的定位标志，计算补偿值，实现切割图形和实际切割道的精确匹配，并且在加工时也能实时观察加工进程和效果。

本发明的激光加工装置还可包括吹气***9和平台集尘***14。加工开始后，吹气***9可在工件上进行激光加工的部位处引入气体，从而将切割出的材料残渣吹除，被吹除的残渣可由平台集尘***14收集。此外，吹气***9对工件上进行激光加工的部位进行吹气也可以起到冷却效果，从而提高切割质量。

在加工过程中，利用3D动态扫描聚焦镜8可自动将两路激光束的聚焦点移动，使其同时由外而内地切割钢化玻璃。这样，当钢化玻璃两面的激光束的聚焦点都移动到玻璃中间的某个位置处时，玻璃就被完全切穿，实现了钢化玻璃13的切割。利用本发明的上述从工件的两面同时对工件进行切割的加工工艺，既能保证钢化玻璃两面的应力平衡，使钢化玻璃不会在切割过程中破裂，也能提高钢化玻璃两侧表面上的切割质量。

当在钢化玻璃13上加工完一个单元后，3D动态聚焦振镜11可移动到下一个加工位置，进而依次将全部单元切割完成。在本发明的该实施例中，激光加工装置的激光加工部分可包括夹具12，用于夹持钢化玻璃13，以保证钢化玻璃13的平整度和整体的均匀受力。在加工完成后，可利用平台集尘***14带动夹具12退出加工区域，完成下料后继续一片新材料的加工。当然，也可以采用其它专门的移送***将夹具12退出加工区域，并非必须使用本实施例的平台集尘***14。

以上参照附图并结合具体实施方式对根据本发明的利用超短脉冲双光路激光对工件在两面进行切割的装置和方法作了详细说明。应该理解的是，上述具体实施例只是用来说明本发明的优选实施方式，并非用来限制本发明的保护范围。例如，虽然在上述实施例中以未钢化或钢化的Gorilla、Sodalime或Dragontrail玻璃作为待切割的工件的例子对本发明的装置和方法作了说明，然而能够理解，本发明的方法和装置同样也能适用于其它透明材料的切割，并不限于实施例中提及的Gorilla、Sodalime或Dragontrail玻璃。如前所述，本发明的方法和装置甚至还能适用于加工各种硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。再如，虽然在上述实施例中，在工件两面上分别实现聚焦和加工的两个激光束是利用一个激光源通过特定光学***产生的。然而，本领域技术人员可以理解，也可以采用两个独立的激光源分别发射在工件两面上聚焦加工的激光束，同样也能够实现本发明的目的，也属于本发明的保护范围。因此，本领域技术人员在阅读本说明书和附图之后能够想到的其它变形例都应在本发明的保护范围之内。而本发明的具体保护范围应由本说明书所附的权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种利用激光切割加工对象物的方法，包括：

提供第一激光束和第二激光束；

将第一激光束聚焦于加工对象物的第一侧的表面上，由此对第一侧的表面进行切割；

将第二激光束聚焦于加工对象物的与所述第一侧相反的第二侧的表面上，由此对第二侧的表面进行切割；

使第一激光束和第二激光束的焦点同时向加工对象物的内部移动，由此在加工对象物的内部形成相应的切割区；

当第一激光束和第二激光束在加工对象物的内部形成的切割区交汇时使加工对象物被分割开。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一激光束和所述第二激光束是由一激光源将其发出的激光束经光学***调制成两路激光而产生的。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述激光源为超短脉冲激光器。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述超短脉冲激光器是波长范围为266-1064nm的纳秒、皮秒或飞秒激光器。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述加工对象物为透明材料。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述透明材料为Gorilla、Sodalime或Dragontrail玻璃。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一激光束与所述第二激光束相对于所述加工对象物大体同轴布置。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一激光束与所述第二激光束以规定间隔由加工对象物的外侧向其内部逐层地对加工对象物进行切割。

9.一种利用激光切割加工对象物的装置，包括：

激光源部分，包括产生激光束的激光器；

激光光路部分，用于将由激光器产生的激光束分成第一激光束和第二激光束，并将第一激光束和第二激光束分别聚焦在待切割的加工对象物两侧的表面上，使第一激光束和第二激光束运动加工出所需要的图形，并通过将第一激光束和第二激光束的焦点向加工对象物的内部移动到一交汇处使加工对象物被分割开；

激光加工部分，其包括夹持加工对象物的夹具以及使加工对象物在加工后被移出的移送***。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述激光器是波长范围为266-1064nm的纳秒、皮秒或飞秒激光器。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述激光光路部分包括光学扫描聚焦***，其使第一激光束和第二激光束运动加工出所需要的图形，并通过将第一激光束和第二激光束的焦点向加工对象物的内部移动到所述交汇处。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述光学扫描聚焦***包括3D动态扫描聚焦镜和3D动态聚焦振镜。

13.如权利要求9所述的装置，还包括吹气***和集尘***，用于去除和收集利用激光切割加工对象物的过程中产生的残渣。

14.如权利要求9所述的装置，其中所述加工对象物为透明材料。

15.如权利要求9所述的装置，其中所述透明材料为Gorilla、Sodalime或Dragontrail玻璃。