CN110539085A - 一种飞秒光丝隐切方法及装置 - Google Patents

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杜迎生
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徐晖
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Abstract

本发明的目的是提供一种飞秒光丝隐切方法，由激光器产生飞秒脉冲激光束，通过聚焦元件将激光束聚焦于待切割材料表面，所述激光束的峰值功率大于待切割材料中形成光丝的功率阈值，在待切割材料中引发光丝现象，通过自聚焦作用和电离待切割材料产生的等离子体形成的散焦效应，在待切割材料中形成一条动态平衡的等离子通道，通过该等离子通道形成改质层，实现待切割材料的切割。其能够有效解决现有激光隐切因多次焦点扫描带来的切割面不平整、切割效率低的问题。本发明还公开了一种飞秒光丝隐切装置。

Description

一种飞秒光丝隐切方法及装置
技术领域
本发明涉及激光加工技术，具体涉及涉及一种飞秒光丝隐切方法及装置。
背景技术
激光隐切技术是一种在硬质材料体内纵向构造多个焦点，从而形成多个改质层，进而实现材料物理分割的技术。相比于传统切割方法，激光隐切技术以其加工速度快、操作简单、加工精确逐渐代替传统的机械切割。
随着科学技术不断发展，人们在电子元器件、航空领域和工业加工等领域对材料的精确性、环境安全和工作效率提出了更精准、更快速、跨尺度切割等要求。现有的激光隐切技术对切割材料损伤比较大，容易损坏切割材料；同时在材料体内纵向形成多个改质层，需要激光多次扫描材料，该过程耗费大量时间，并且纵向焦点极易离焦，造成切面不平整。因此当前急需一项低损伤 、高效率且切割面平整的激光隐切技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞秒光丝隐切方法及装置，其能够有效解决现有激光隐切因多次焦点扫描带来的切割面不平整、切割效率低的问题。
本发明所述的飞秒光丝隐切方法，由激光器产生飞秒脉冲激光束，通过聚焦元件将激光束聚焦于待切割材料表面，所述激光束的峰值功率大于待切割材料中形成光丝的功率阈值，在待切割材料中引发光丝现象，通过自聚焦作用和电离待切割材料产生的等离子体形成的散焦效应，在待切割材料中形成一条动态平衡的等离子通道，通过该等离子通道形成改质层，实现待切割材料的切割。
进一步，所述飞秒脉冲激光束的峰值功率≥1012W/cm2。
进一步，所述等离子通道的长度为1~3cm，直径为10~100μm。
进一步，所述待切割材料为硅、碳化硅、蓝宝石或半导体。
一种飞秒光丝隐切装置，包括激光光源部件、光束控制部件、工作台和控制***；所述激光光源部件包括激光器和准直器，所述激光器用于产生飞秒脉冲激光束，准直器的输入端与激光器连接，输出端将飞秒脉冲激光束准直输出；所述光束控制部件包括高反射镜和聚焦元件，高反射镜将准直器输出的飞秒脉冲激光束反射至聚焦元件，通过聚焦元件调整光斑大小和焦深距离，使得激光束聚焦于待切割材料表面；所述工作台包括三维移动平台和CCD相机，所述三维移动平台用于固定待切割材料，所述CCD相机设于待切割材料上方，用于实时检测聚焦点位置并且进行自动矫正；所述控制***分别与激光光源部件、光束控制部件和工作台连接，控制激光光源部件、光束控制部件和工作台的相互通信和协调工作。
进一步，所述激光器为固体激光器、气体激光器或光纤激光器，输出波长为紫外200~400nm、可见400~700nm或红外700~10000nm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明通过聚焦元件将激光束聚焦于待切割材料表面，通过自聚焦作用和电离待切割材料产生的等离子体形成的散焦效应，在待切割材料中形成一条动态平衡的等离子通道，即通过一次聚焦在待切割材料内聚焦形成光丝，光丝能量密度高，直径几乎不变，光丝位置强度钳制且传播长度大于瑞利长度，整个光丝范围内均能在待切割材料内部形成改质层，所述改质层是结构松散、易于分断的脆整体，同时切割面平整，无热损伤影响待切割材料，经裂变处理完成光丝隐切。通过等离子通道实现待切割材料的切割，提高了单次切割加工的有效长度，从而能够切割更大、更厚的硬性材料，实现“一刀切”，无需多次反复扫描，提高了切割效率，减小了对材料的损伤，增加了切割面的平整度。
2、本发明的飞秒脉冲激光束聚焦于待切割材料表面，进而相较于现有激光隐切技术，无需在待切割材料内形成多个焦点，减少了多焦点切割或多次扫描带来的离焦困扰，切割面更加平整，提高了良品率。
附图说明
图1是本发明飞秒光丝隐切装置的结构示意图。
图中，1—激光光源部件，11—激光器，12—第一准直器，13—第二准直器，14—光纤，2—光束控制部件，21—高反射镜，22—聚焦元件，3—工作台，31—三维移动平台，32—CCD相机，33—待切割材料，4—控制***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
参见图1，所示的飞秒光丝隐切装置，包括激光光源部件1、光束控制部件2、工作台3和控制***4。所述激光光源部件1用于提供产生光丝的激光束，光束控制部件2用于调整激光束的传输方向和光斑大小，工作台3用于固定待切割材料33，提供全方位角度切割，并且实时监测聚焦点位置实现自动修正，控制***4用于控制各个部件的相互通信和协调工作。
所述激光光源部件1包括激光器11、第一准直器12和第二准直器13，所述激光器用于产生飞秒脉冲激光束，能够为固体激光器、气体激光器或光纤激光器，输出波长为紫外200~400nm、可见400~700nm或红外700~10000nm。所述第一准直器12的输入端与激光器11连接，将激光器11产生的飞秒脉冲激光束准直耦合到光纤14中传输，所述光纤14用于传输激光束，提高光路***的灵活性和安全性。所述第二准直器13将光纤14输出的飞秒脉冲激光束准直输出。
所述光束控制部件2包括高反射镜21和聚焦元件22，高反射镜21用于接收第二准直器13输出的飞秒脉冲激光束，同时改变激光束的传输方向，经反射的激光束输入至聚焦元件22，通过聚焦元件22调整光斑大小和焦深距离，使得激光束聚焦于待切割材料33表面。所述聚焦元件22为透镜、面镜、离轴抛物面镜或相位板等具备聚焦功能的光学元件组。
所述工作台3包括三维移动平台31和CCD相机32，所述三维移动平台31用于固定待切割材料33，且能够沿任意方向移动，满足了不同切割需求。所述CCD相机32设于待切割材料33上方，通过CCD相机的自动对焦技术实时监测聚焦点位置，同时全自动矫正，实现全自动对位切割，提高材料切割的精确度。
所述控制***4分别与激光光源部件1、光束控制部件2和工作台3连接，控制激光光源部件1、光束控制部件2和工作台3的相互通信和协调工作，提高了切割效率。
一种飞秒脉冲光丝隐切方法，由激光器11产生飞秒脉冲激光束，通过聚焦元件22将激光束聚焦于待切割材料33表面，所述激光束的峰值功率大于待切割材料33中形成光丝的功率阈值，在待切割材料33中引发光丝现象，通过自聚焦作用和电离待切割材料产生的等离子体形成的散焦效应，在待切割材料33中形成一条动态平衡的等离子通道，所述等离子通道的长度为1~3cm，直径为10~100μm，通过该等离子通道形成改质层，实现待切割材料的切割。
所述飞秒脉冲激光束的峰值功率≥1012W/cm2，相较于激光束在空气中形成光丝，其对激光束的峰值功率限定为≥1014W/cm2，直接在待切割材料中形成光丝所需的峰值功率更低，进而能够在更低功率条件下完成切割。
根据待切割材料的材质种类，调节飞秒脉冲激光束的相关参数，实现等离子通道长度和直径的调节，使得等离子通道能够一次贯穿待切割材料，进而实现了“一刀切”。
通过聚焦元件将激光束聚焦于待切割材料表面，通过激光束的自聚焦作用和电离待切割材料产生的等离子体形成的散焦效应，在待切割材料中形成一条动态平衡的等离子通道，即通过一次聚焦在待切割材料内聚焦形成光丝，光丝能量密度高，直径几乎不变，光丝位置强度钳制且传播长度大于瑞利长度，整个光丝范围内均能在待切割材料内部形成改质层，所述改质层是结构松散、易于分断的脆整体，同时切割面平整，无热损伤影响待切割材料，经裂变处理完成光丝隐切。并且通过等离子通道实现待切割材料的切割，提高了单次切割加工的有效长度，从而能够切割更大、更厚的硬性材料，所述硬性材料为硅、碳化硅、蓝宝石或半导体，均能实现“一刀切”。相较于传统多层扫描切割技术提升隐切速率5倍以上，提高了切割效率，减小了对材料的损伤，增加了切割面的平整度。

Claims (6)

1.一种飞秒光丝隐切方法，其特征在于：由激光器产生飞秒脉冲激光束，通过聚焦元件将激光束聚焦于待切割材料表面，所述激光束的峰值功率大于待切割材料中形成光丝的功率阈值，在待切割材料中引发光丝现象，通过自聚焦作用和电离待切割材料产生的等离子体形成的散焦效应，在待切割材料中形成一条动态平衡的等离子通道，通过该等离子通道形成改质层，实现待切割材料的切割。
2.根据权利要求1所述的飞秒光丝隐切方法，其特征在于：所述飞秒脉冲激光束的峰值功率≥1012W/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的飞秒光丝隐切方法，其特征在于：所述等离子通道的长度为1~3cm，直径为10~100μm。
4.根据权利要求1或2所述的飞秒光丝隐切方法，其特征在于：所述待切割材料为硅、碳化硅、蓝宝石或半导体。
5.一种飞秒光丝隐切装置，其特征在于：包括激光光源部件、光束控制部件、工作台和控制***；
所述激光光源部件包括激光器和准直器，所述激光器用于产生飞秒脉冲激光束，准直器的输入端与激光器连接，输出端将飞秒脉冲激光束准直输出；
所述光束控制部件包括高反射镜和聚焦元件，高反射镜将准直器输出的飞秒脉冲激光束反射至聚焦元件，通过聚焦元件调整光斑大小和焦深距离，使得激光束聚焦于待切割材料表面；
所述工作台包括三维移动平台和CCD相机，所述三维移动平台用于固定待切割材料，所述CCD相机设于待切割材料上方，用于实时检测聚焦点位置并且进行自动矫正；
所述控制***分别与激光光源部件、光束控制部件和工作台连接，控制激光光源部件、光束控制部件和工作台的相互通信和协调工作。
6.根据权利要求5所述的秒光丝隐切装置，其特征在于：所述激光器为固体激光器、气体激光器或光纤激光器，输出波长为紫外200~400nm、可见400~700nm或红外700~10000nm。
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