CN110303243A - 一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置及方法，涉及脆性材料切割技术领域，包括多条激光器支路，每条所述激光器支路均包括一个激光器，所述激光器通过光纤连接有光纤耦合器，所述光纤耦合器后设置有扩束镜，所述扩束镜后设置有聚焦镜；还包括有分光棱镜，所述分光棱镜逆向使用，用于对多条所述激光器支路中聚焦后的激光光束进行合束，从而在同一光轴上产生多个激光焦点，用于对待切割分离材料进行切割。本发明通过对激光焦点数量、位置、功率密度进行精确调控，在材料内部始终产生同所切割分离材料结构相匹配的动态激光光场，从而完成具有复杂结构的脆性材料的激光分离。

Description

一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置及方法

技术领域

本发明涉及脆性材料切割技术领域，特别是涉及一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置及方法。

背景技术

现阶段玻璃、石英、陶瓷、晶体、硅等脆性材料的切割分离仍以机械切割分离方法为主，其面临着切割效率低、切割质量差、需后续打磨抛光、工艺流程繁琐等问题。而传统的激光切割方法只能实现同一厚度的材料切割，虽然可以实现平面材料的分离，但是当切割分离曲面玻璃材料等具有复杂结构的材料时，因为无法产生同切割分离材料表面/结构相匹配的激光光场而导致切割不充分，无法实现不同厚度上的材料断裂分离。

具有复杂结构的脆性材料，如光学玻璃微透镜、光学曲面/非曲面透镜、光纤预制棒、光学棱镜、曲面玻璃材料、硅晶片、氟化钙、陶瓷、硒化锌等，在光学/传感/成像/建筑/汽车等领域具备广泛的应用；然而，由于其所具备的特殊的结构，使其切割分离具备很高的难度。

现阶段具有复杂结构的脆性材料的切割分离方法以机械方法为主；现阶段的机械方法切割分离具有复杂结构的脆性材料，有金刚石刀具划线后掰片分离、锯切、线锯切割等，由于其为接触式加工，所用刀具会使待分离玻璃材料产生不可避免的损伤，从而导致切割分离质量较差，需要后续打磨抛光处理，因此导致了机械方法切割质量差、切割工艺流程繁琐、切割效率较低等缺陷。高质量的脆性材料的切割分离面临诸多问题。

激光切割可有效解决现阶段机械切割脆性材料所面临的问题。然而，传统的激光切割分离方法往往仅可以进行平面材料的切割分离。对于具有特殊整体结构或表面结构的材料，由于其表面/整体具备特殊的结构，因此需要在材料内部产生时刻同材料整体结构相匹配的激光光场。同时，由于具有复杂结构的材料表面/内部为非规则分布，因此，随着激光的移动，其所需的激光光场也需进行相应的动态变化调整。而传统的激光分离方法由于仅仅具有一个激光焦点，因此无法产生同材料结构相匹配的动态激光光场，故不能产生超过材料抗拉强度阈值的热拉应力，从而导致切割分离失败。

因此，如何产生同具有复杂结构的材料各位置结构相匹配的动态光场，是完成切割分离的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对激光焦点数量、位置、功率密度进行精确调控，在材料内部始终产生同待切割分离材料结构相匹配的动态激光光场，从而完成具有复杂结构的脆性材料的激光分离。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，包括多条激光器支路，每条所述激光器支路均包括一个激光器，用于提供激光光束；所述激光器通过光纤连接有光纤耦合器，所述光纤耦合器后设置有扩束镜，用于扩束激光光束；所述扩束镜后设置有聚焦镜，用于对激光光束进行聚焦；还包括有分光棱镜，所述分光棱镜逆向使用，用于对多条所述激光器支路中聚焦后的激光光束进行合束，从而在同一光轴上产生多个激光焦点，用于对待切割分离材料进行切割。

优选的，所述聚焦镜连接有单轴运动机构，用于带动所述聚焦镜沿激光光轴方向单向移动。

优选的，所述待切割分离材料放置于三维运动平台上。

优选的，所述激光器、单轴运动机构和三维运动平台均与控制***连接。

优选的，所述待切割分离材料采用具有复杂结构的脆性材料。

优选的，所述激光器支路设置有三条，包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路的光路垂直设置，所述第二支路和第三支路的光路横向设置。

优选的，所述分光棱镜设置有两个，包括第一分光棱镜和第二分光棱镜，所述第一支路和所述第二支路的激光光束射入所述第一分光棱镜中进行合束，然后与第三支路的激光光束共同射入所述第二分光棱镜中。

本发明还公开一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料方法，包括以下步骤：

1)、对待切割分离材料进行三维数字建模；

2)、基于待切割分离材料的三维数字模型，计算待切割分离材料切割分离所需要的动态光场分布；

3)、根据动态光场分布，计算所需的多个激光焦点的位置运动轨迹及相应的能量大小分布；

4)、控制***控制单轴运动机构，实现多个聚焦镜位置的调控，从而控制多个激光焦点的运动轨迹；同时，控制***控制多台激光器的功率大小，从而调控激光焦点的能量大小；从而产生可调节的、同待切割分离材料相匹配的动态激光光场；

5)、将待切割分离材料放置于三维运动平台上，并由控制***控制三维运动平台运行，从而带动待切割分离材料的运动；

6)、动态激光光场作用于待切割分离材料，完成切割分离。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明可在材料厚度方向产生动态变化的激光光场，且时刻同待切割分离材料结构相适应，通过所产生的同结构匹配的动态光场，可以在材料内部产生时刻超过材料抗拉强度阈值的热拉应力，从而使材料产生贯穿裂纹，从而完成材料的切割分离；

比较于机械切割方法，本发明采用非接触式加工，不会使材料分离面产生表面损伤，从而保证加工的质量，其典型切割表面粗糙度可达纳米级粗糙度；

相比较于已有传统激光切割方法，本发明可在激光光轴方向产生多个激光焦点，且每个激光焦点的位置、功率密度等均可分别精密调节，因此可以实现激光光场的动态调控，从而保证所产生的激光光场时刻同所切割分离材料结构相匹配，完成具有复杂结构的脆性材料的切割分离，从而解决了传统激光切割分离方法仅能切割平面结构玻璃材料的难题；

本发明对脆性材料的高质量分离具有重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光场动态可调的多焦点激光产生原理图；

图2为本发明脆性材料内部产生动态可调光场原理图；

其中，1、激光器，2、光纤，3、光纤耦合器，4、扩束镜，5、单轴运动机构，6、分光棱镜，7、动态激光光场，8、激光焦点，9、三维运动平台，10、位置一，11、位置二、12、位置三、13、位置四，14、聚焦镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对激光焦点数量、位置、功率密度进行精确调控，在材料内部始终产生同待切割分离材料结构相匹配的动态激光光场，从而完成具有复杂结构的脆性材料的激光分离。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-2所示，本实施例提供一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，根据待切割分离材料厚度范围，设计激光焦点8的数量；包括多条激光器支路，每条所述激光器支路均包括一个激光器1，用于提供激光光束；所述激光器1通过光纤2连接有光纤耦合器3，所述光纤耦合器3后设置有扩束镜4，用于扩束激光光束；所述扩束镜4后设置有聚焦镜14，用于对激光光束进行聚焦；还包括有分光棱镜6，所述分光棱镜6逆向使用，用于对多条所述激光器支路中聚焦后的激光光束进行合束，从而在同一光轴上产生多个可精密调控的激光焦点8，用于对待切割分离材料进行切割，待切割分离材料采用具有复杂结构的脆性材料。

在本实施例中，每个聚焦镜14分别通过单轴运动机构5带动，可在激光光轴方向单向运动，从而分别带动每个激光器1所产生的激光焦点8运动；同时，所产生的聚焦后激光束分别通过分光棱镜6逆向使用进行合束，从而在同一光轴上产生多个可精密调控的激光焦点8。

在本实施例中，所述待切割分离材料放置于三维运动平台9上。

进一步地，所述激光器1、单轴运动机构5和三维运动平台9均与控制***连接；控制***可以采用PLC控制***或者单片机等。

在本实施例中，单轴运动机构5包括高精密电动直线滑台及其上相应设置的聚焦镜14的固定装置(如固定座)；而三维运动平台9由三台高精密电动直线滑台正交连接组成，可带动待切割材料三维运动；其中单轴运动机构5和三维运动平台9亦可以选用其它满足工作需要的结构。

具体地，本实施例中，所述激光器支路设置有三条，包括第一支路、第二支路和第三支路；本实施例中采用3台激光器1、产生3个激光焦点8的光场动态可调的多焦点激光切割待切割分离材料，本实施例中待切割分离材料优先选用棱形光学玻璃；所述第一支路的激光器1光路垂直设置，所述第二支路和第三支路的激光器1光路横向设置。

每台激光器1所产生激光通过光纤耦合器3、扩束镜4进行扩束，并分别通过聚焦镜14进行聚焦；其中，聚焦镜14分别固定于单轴运动机构5上，可在单轴运动机构5带动下沿轴向运动；3套聚焦后的激光光路分别通过2个分光棱镜6逆向使用完成光束合束，从而在激光光轴(垂直方向)产生多个激光焦点8；同时，通过控制***实现对各台激光器1的功率、单轴运动机构5的位置进行精密调控。

本实施例中还公开一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料方法：

在待切割分离材料切割过程中，首先对待切割分离材料进行三维数字建模。基于待切割分离材料的三维数字模型，计算待切割分离材料切割分离所需要的动态光场分布。根据动态光场分布，精密计算所需的3个激光焦点8的位置运动轨迹及相应的能量大小分布。通过控制***控制单轴运动机构5从而实现3个聚焦镜14位置的精确调控，从而精确控制3个激光焦点8的运动轨迹；同时，控制***3台激光器1的功率大小，从而精准调控激光焦点8的能量大小。通过这种方法，实现多个激光焦点8位置和功率大小的精密调控，从而产生可精密调节的、同待切割分离材料相匹配的动态激光光场7，如图2所示。

根据所设计的动态激光光场7，进行待切割分离材料的切割分离。将待切割分离材料放置于三维运动平台9上，并由控制***控制三维运动平台9运行，从而带动待切割分离材料的运动。动态激光光场7作用于待切割分离材料后，会在待切割分离材料内部产生热膨胀和热收缩效应，从而产生超过材料抗拉强度阈值的热拉应力，进而在材料切割分离初始端产生初始裂纹。同时，由于待切割分离材料相对于激光焦点8动态移动，且所产生的动态激光光场7时刻同所切割的具有复杂结构的待切割分离材料的结构相匹配，因此可以保证所产生的热拉应力时刻同待切割分离材料的结构相匹配，并时刻高于待切割分离材料的抗拉强度阈值，即保证裂纹的动态扩展，从而完成切割分离。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，其特征在于：包括多条激光器支路，每条所述激光器支路均包括一个激光器，用于提供激光光束；所述激光器通过光纤连接有光纤耦合器，所述光纤耦合器后设置有扩束镜，用于扩束激光光束；所述扩束镜后设置有聚焦镜，用于对激光光束进行聚焦；还包括有分光棱镜，所述分光棱镜逆向使用，用于对多条所述激光器支路中聚焦后的激光光束进行合束，从而在同一光轴上产生多个激光焦点，用于对待切割分离材料进行切割。

2.根据权利要求1所述的光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，其特征在于：所述聚焦镜连接有单轴运动机构，用于带动所述聚焦镜沿激光光轴方向单向移动。

3.根据权利要求2所述的光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，其特征在于：所述待切割分离材料放置于三维运动平台上。

4.根据权利要求3所述的光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，其特征在于：所述激光器、单轴运动机构和三维运动平台均与控制***连接。

5.根据权利要求1或4所述的光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，其特征在于：所述待切割分离材料采用具有复杂结构的脆性材料。

6.根据权利要求5所述的光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，其特征在于：所述激光器支路设置有三条，包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路的光路垂直设置，所述第二支路和第三支路的光路横向设置。

7.根据权利要求6所述的光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料装置，其特征在于：所述分光棱镜设置有两个，包括第一分光棱镜和第二分光棱镜，所述第一支路和所述第二支路的激光光束射入所述第一分光棱镜中进行合束，然后与第三支路的激光光束共同射入所述第二分光棱镜中。

8.一种光场动态可调的多激光焦点切割脆性材料方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、对待切割分离材料进行三维数字建模；

2)、基于待切割分离材料的三维数字模型，计算待切割分离材料切割分离所需要的动态光场分布；

3)、根据动态光场分布，计算所需的多个激光焦点的位置运动轨迹及相应的能量大小分布；

4)、控制***控制单轴运动机构，实现多个聚焦镜位置的调控，从而控制多个激光焦点的运动轨迹；同时，控制***控制多台激光器的功率大小，从而调控激光焦点的能量大小；从而产生可调节的、同待切割分离材料相匹配的动态激光光场；

5)、将待切割分离材料放置于三维运动平台上，并由控制***控制三维运动平台运行，从而带动待切割分离材料的运动；

6)、动态激光光场作用于待切割分离材料，完成切割分离。