CN112142315A - 一种厚玻璃的超快激光加工***及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种厚玻璃的超快激光加工***及方法，通过激光器产生高斯超快激光光束后，经过贝塞尔光学整形模块整形转换为高斯‑贝塞尔超快激光光束，随后，经过聚光镜将高斯‑贝塞尔超快激光光束聚焦于待加工玻璃内并调整高斯‑贝塞尔超快激光光束的能量密度至待加工玻璃的光学损伤阈值以上，从而在待加工玻璃内产生穿孔，并通过二维运动平台控制待加工玻璃与高斯‑贝塞尔超快激光光束聚焦点按照预设的切割轨迹相对运动，从而可以形成穿孔线轮廓，以实现通过其他应力分离方式沿穿孔线轮廓将玻璃完全分离。从而实现厚玻璃的一次性切割成型且切割图形可灵活设置，并提高了厚玻璃的切割效率与精度，同时，大大减少了环境污染。
Description
技术领域
本申请涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种厚玻璃的超快激光加工***及方法。
背景技术
厚玻璃特征多指为厚度在1～15mm的玻璃，厚玻璃应用广泛，如光学镜片，建筑玻璃等，而对厚玻璃进行切割加工的方法一般为机械切割方法或CO2应力切割方法，如用金钢刀或CNC机械加工去切割厚玻璃，但这种机械切割方法存在效率低、精度差且环境污染较大的问题。同时，也有采用贝塞尔分层多次切割方法，但仍存在效率低、精度差、不能切割异形排版玻璃的问题。
发明内容
本申请提供了一种厚玻璃的超快激光加工***及方法，用于解决现有的厚玻璃切割无法一次性切割、切割效率低下、精度差、环境污染较大且切割灵活性较差的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种厚玻璃的超快激光加工***，包括：激光器、高斯-贝塞尔整形光路模组与二维运动平台；
所述激光器，用于产生超快激光光束，所述超快激光光束为高斯超快激光光束；
所述高斯-贝塞尔整形光路模组包括贝塞尔光学整形模块与聚光镜模块，所述贝塞尔光学整形模块，用于接收所述激光器产生的所述高斯超快激光光束后，将所述高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；所述聚光镜模块，用于接收所述高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整所述高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使所述能量密度达到所述待加工玻璃的光学损伤阈值以上，还用于将所述高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部从而在所述待加工玻璃内产生穿孔；
所述二维运动平台，用于放置所述待加工玻璃，还用于以预设的运动速度控制所述待加工玻璃相对所述高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，所述待分离玻璃具有若干个所述穿孔形成的穿孔线轮廓，所述待分离玻璃用于以预置的分离方式沿所述穿孔线轮廓进行分离。
优选地，所述激光器的脉冲能量为0.2～10mj，所述激光器的脉冲宽度为1～100ps。
优选地，所述贝塞尔光学整形模块包括轴棱锥。
优选地，所述预置的分离方式包括机械应力分离方式、CO2应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种分离方式组合。
优选地，所述聚光镜模块包括沿光轴水平依次的前置聚光镜群组与后置聚光镜群组，所述前置聚光镜群组与所述后置聚光镜群组之间设置空气间隔，后置聚光镜群组包括若干个沿光轴水平设置的非球面透镜，相邻的所述非球面透镜之间设置空气间隔。
另一方面，本申请实施例还提供了一种厚玻璃的超快激光加工方法，包括以下步骤：
S101：通过激光器产生超快激光光束，所述超快激光光束为高斯超快激光光束；
S102：通过贝塞尔光学整形模块接收所述激光器产生的所述高斯超快激光光束后，将所述高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；
S103：通过聚光镜模块接收所述高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整所述高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使所述能量密度达到所述待加工玻璃的光学损伤阈值以上，并将所述高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部从而在所述待加工玻璃内产生穿孔；
S104：通过二维运动平台控制预先放置的所述待加工玻璃相对所述高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，所述待分离玻璃具有若干个所述穿孔形成的穿孔线轮廓。
优选地，所述步骤S104之后还包括，通过预置的分离方式将所述待分离玻璃沿所述穿孔线轮廓进行分离，所述预置的分离方式包括机械应力分离方式、CO2应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种分离方式组合。
优选地，所述激光器的脉冲能量为0.2～10mj，所述激光器的脉冲宽度为1～100ps。
优选地，所述贝塞尔光学整形模块包括轴棱锥。
优选地，所述聚光镜模块包括沿光轴水平依次的前置聚光镜群组与后置聚光镜群组，所述前置聚光镜群组与所述后置聚光镜群组之间设置空气间隔，后置聚光镜群组包括若干个沿光轴水平设置的非球面透镜，相邻的所述非球面透镜之间设置空气间隔。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请实施例提供的一种厚玻璃的超快激光加工***及方法，通过激光器产生高斯超快激光光束后，经过贝塞尔光学整形模块整形转换为高斯-贝塞尔超快激光光束，随后，经过聚光镜将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦于待加工玻璃内并调整高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度至待加工玻璃的光学损伤阈值以上，从而在待加工玻璃内产生穿孔，并通过二维运动平台控制待加工玻璃与高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦点按照预设的切割轨迹相对运动，从而可以形成穿孔线轮廓，以实现通过其他应力分离方式沿穿孔线轮廓将玻璃完全分离。从而实现厚玻璃的一次性切割成型且切割图形可灵活设置，并提高了厚玻璃的切割效率与精度，同时，在加工过程中由于在内部产生穿孔，大大减少了环境污染。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种厚玻璃的超快激光加工***的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的激光器中的突发子脉冲升序排列的脉冲串序列示意图；
图3为本申请实施例提供的激光器中的突发子脉冲平序排列的脉冲串序列示意图；
图4为本申请实施例提供的激光器中的突发子脉冲降序排列的脉冲串序列示意图；
图5为本申请实施例提供的贝塞尔光学整形模块的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的聚光镜模块的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的后置聚光镜群组的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的玻璃运动后形成穿孔的示意图；
图9为本申请实施例提供的具有穿孔线轮廓的玻璃的正面图；
图10为本申请实施例提供的具有穿孔线轮廓的玻璃的截面图；
图11为本申请实施例提供的一种厚玻璃的超快激光加工方法的流程图；
图12为本申请另一实施例提供的一种厚玻璃的超快激光加工方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工***，包括：激光器1、高斯-贝塞尔整形光路模组与二维运动平台30；
激光器1，用于产生超快激光光束，超快激光光束为高斯超快激光光束；
高斯-贝塞尔整形光路模组包括贝塞尔光学整形模块20与聚光镜模块21，贝塞尔光学整形模块20，用于接收激光器1产生的高斯超快激光光束后，将高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；聚光镜模块21，用于接收高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使能量密度达到待加工玻璃31的光学损伤阈值以上，还用于将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃31的内部从而在待加工玻璃31内产生穿孔；
激光器产生的高斯超快激光光束经过贝塞尔光学整形模块整形转换为高斯-贝塞尔超快激光光束后，其高斯超快激光光束的光丝一般过大，这会导致超快激光光束的能量密度过低，无法达到待加工玻璃的光学损伤阈值，从而就无法对待加工玻璃进行改质穿孔，本实施例通过聚光镜提高高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使能量密度达到待加工玻璃的光学损伤阈值以上，并将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部，玻璃内部会发生多光子吸收或微型***产生等离子体，最终形成穿孔。
另外，激光器1与高斯-贝塞尔整形光路模组之间还可以设置反射镜，通过反射镜将高斯超快激光光束反射并射入贝塞尔光学整形模块20中。
可以理解的是，其穿孔是沿待加工玻璃的厚度方向进行延伸。
二维运动平台30，用于放置待加工玻璃31，还用于以预设的运动速度控制待加工玻璃31相对高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，待分离玻璃具有若干个穿孔形成的穿孔线轮廓，待分离玻璃用于以预置的分离方式沿穿孔线轮廓进行分离。
可以理解的是，预设的运动速度可以根据待加工玻璃的实际厚度与长度进行自行设定。
在本实施例中，通过激光器产生高斯超快激光光束后，经过贝塞尔光学整形模块整形转换为高斯-贝塞尔超快激光光束，随后，经过聚光镜将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦于待加工玻璃内并调整高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度至待加工玻璃的光学损伤阈值以上，从而在待加工玻璃内产生穿孔，并通过二维运动平台控制待加工玻璃与高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦点按照预设的切割轨迹相对运动，从而可以形成穿孔线轮廓，以实现通过其他应力分离方式沿穿孔线轮廓将玻璃完全分离。从而实现厚玻璃的一次性切割成型且切割图形可灵活设置，并提高了厚玻璃的切割效率与精度，同时，在加工过程中由于在内部产生穿孔，大大减少了环境污染。
以上为本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工***的一个实施例的详细描述，以下为本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工***的另一个实施例的详细描述。
为了方便理解，请参阅图1，本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工***，包括：激光器1、高斯-贝塞尔整形光路模组与二维运动平台30；
激光器1，用于产生超快激光光束，超快激光光束为高斯超快激光光束；
高斯-贝塞尔整形光路模组包括贝塞尔光学整形模块20与聚光镜模块21，贝塞尔光学整形模块20，用于接收激光器1产生的高斯超快激光光束后，将高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；聚光镜模块21，用于接收高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使能量密度达到待加工玻璃31的光学损伤阈值以上，还用于将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃31的内部从而在待加工玻璃31内产生穿孔；
激光器产生的高斯超快激光光束经过贝塞尔光学整形模块整形转换为高斯-贝塞尔超快激光光束后，其高斯超快激光光束的光丝一般过大，这会导致超快激光光束的能量密度过低，无法达到待加工玻璃的光学损伤阈值，从而就无法对待加工玻璃进行改质穿孔，本实施例通过聚光镜提高高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使能量密度达到待加工玻璃的光学损伤阈值以上，并将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部，玻璃内部会发生多光子吸收或微型***产生等离子体，最终形成穿孔。
另外，激光器1与高斯-贝塞尔整形光路模组之间还可以设置反射镜，通过反射镜将高斯超快激光光束反射并射入贝塞尔光学整形模块20中。
可以理解的是，其穿孔是沿待加工玻璃31的厚度方向进行延伸。
二维运动平台30，用于放置待加工玻璃31，还用于以预设的运动速度控制待加工玻璃31相对高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，待分离玻璃具有若干个穿孔形成的穿孔线轮廓，待分离玻璃用于以预置的分离方式沿穿孔线轮廓进行分离。
进一步地，激光器1的脉冲能量为0.2～10mj，激光器1的脉冲宽度为1～100ps。
本实施例中的激光器采用脉冲能量较高的激光器，其能量形态包括至少一个突发子脉冲的脉冲串，相邻的突发子脉冲之间的间隔为1ps-100ns，如图2～4所示，其脉冲串中的突发子脉冲可以采用升序、平序或降序的排列方式。
进一步地，如图5所示，贝塞尔光学整形模块20包括轴棱锥。
进一步地，预置的分离方式包括机械应力分离方式、CO2应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种分离方式组合。
进一步地，如图6所示，聚光镜模块21包括沿光轴水平依次的前置聚光镜群组210与后置聚光镜群组211，前置聚光镜群组210与后置聚光镜群组211之间设置空气间隔，如图7所示，后置聚光镜群组211包括若干个沿光轴水平设置的非球面透镜，相邻的非球面透镜之间设置空气间隔。
需要说明的是，在本实施例中，聚光镜包括但不限于物镜，而聚光镜中的各个光学透镜之间设置空气间隔，从而防止过高的能量密度导致光学透镜出现损坏，同时，空气间隔的设置使得聚光镜设计成本较低。
本实施例以15mm厚度的玻璃为例，如图8所示，控制二维运动平台相对超快激光光束进行运动，并设定二维运动平台的运动速度设定为100mm/s，激光器的脉冲频率为20kHz。
经过穿孔形成穿孔线轮廓，如图9～10所示，其中，图9表示为具有穿孔线轮廓的玻璃的正面图，图10为具有穿孔线轮廓的玻璃的截面图，根据检测得出穿孔线轮廓中的穿孔孔径为3.36μm，则说明其切割精度较高。
以上为本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工***的另一个实施例的详细描述，以下为本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工方法的一个实施例的详细描述。
为了方便理解，请参考图11，本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工方法，包括以下步骤：
S101：通过激光器产生超快激光光束，超快激光光束为高斯超快激光光束；
S102：通过贝塞尔光学整形模块接收激光器产生的高斯超快激光光束后，将高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；
S103：通过聚光镜模块接收高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使能量密度达到待加工玻璃的光学损伤阈值以上，并将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部从而在待加工玻璃内产生穿孔；
S104：通过二维运动平台控制预先放置的待加工玻璃相对高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，待分离玻璃具有若干个穿孔形成的穿孔线轮廓。
以上为本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工方法的一个实施例的详细描述，以下为本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工方法的另一个实施例的详细描述。
为了方便理解，请参阅图12，本申请提供的一种厚玻璃的超快激光加工方法，包括以下步骤：
S201：通过激光器产生超快激光光束，超快激光光束为高斯超快激光光束；
S202：通过贝塞尔光学整形模块接收激光器产生的高斯超快激光光束后，将高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；
S203：通过聚光镜模块接收高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使能量密度达到待加工玻璃的光学损伤阈值以上，并将高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部从而在待加工玻璃内产生穿孔；
S204：通过二维运动平台控制预先放置的待加工玻璃相对高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，待分离玻璃具有若干个穿孔形成的穿孔线轮廓；
S205：通过预置的分离方式将待分离玻璃沿穿孔线轮廓进行分离，预置的分离方式包括机械应力分离方式、CO2应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种分离方式组合。
进一步地，激光器的脉冲能量为0.2～10mj，激光器的脉冲宽度为1～100ps。
进一步地，贝塞尔光学整形模块包括轴棱锥。
进一步地，聚光镜模块包括沿光轴水平依次的前置聚光镜群组与后置聚光镜群组，前置聚光镜群组与后置聚光镜群组之间设置空气间隔，后置聚光镜群组包括若干个沿光轴水平设置的非球面透镜，相邻的非球面透镜之间设置空气间隔。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种厚玻璃的超快激光加工***，其特征在于，包括：激光器、高斯-贝塞尔整形光路模组与二维运动平台；
所述激光器，用于产生超快激光光束，所述超快激光光束为高斯超快激光光束；
所述高斯-贝塞尔整形光路模组包括贝塞尔光学整形模块与聚光镜模块，所述贝塞尔光学整形模块，用于接收所述激光器产生的所述高斯超快激光光束后，将所述高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；所述聚光镜模块，用于接收所述高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整所述高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使所述能量密度达到待加工玻璃的光学损伤阈值以上，还用于将所述高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部从而在所述待加工玻璃内产生穿孔；
所述二维运动平台，用于放置所述待加工玻璃，还用于以预设的运动速度控制所述待加工玻璃相对所述高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，所述待分离玻璃具有若干个所述穿孔形成的穿孔线轮廓，所述待分离玻璃用于以预置的分离方式沿所述穿孔线轮廓进行分离。
2.根据权利要求1所述的厚玻璃的超快激光加工***，其特征在于，所述激光器的脉冲能量为0.2～10mj，所述激光器的脉冲宽度为1～100ps。
3.根据权利要求1所述的厚玻璃的超快激光加工***，其特征在于，所述贝塞尔光学整形模块包括轴棱锥。
4.根据权利要求1所述的厚玻璃的超快激光加工***，其特征在于，所述预置的分离方式包括机械应力分离方式、CO2应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种分离方式组合。
5.根据权利要求1所述的厚玻璃的超快激光加工***，其特征在于，所述聚光镜模块包括沿光轴水平依次的前置聚光镜群组与后置聚光镜群组，所述前置聚光镜群组与所述后置聚光镜群组之间设置空气间隔，后置聚光镜群组包括若干个沿光轴水平设置的非球面透镜，相邻的所述非球面透镜之间设置空气间隔。
6.一种厚玻璃的超快激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：通过激光器产生超快激光光束，所述超快激光光束为高斯超快激光光束；
S102：通过贝塞尔光学整形模块接收所述激光器产生的所述高斯超快激光光束后，将所述高斯超快激光光束转换为高斯-贝塞尔超快激光光束；
S103：通过聚光镜模块接收所述高斯-贝塞尔超快激光光束后，调整所述高斯-贝塞尔超快激光光束的能量密度从而使所述能量密度达到待加工玻璃的光学损伤阈值以上，并将所述高斯-贝塞尔超快激光光束聚焦至待加工玻璃的内部从而在所述待加工玻璃内产生穿孔；
S104：通过二维运动平台控制预先放置的所述待加工玻璃相对所述高斯-贝塞尔超快激光光束的聚焦点沿预设的切割线路运动从而获得待分离玻璃，所述待分离玻璃具有若干个所述穿孔形成的穿孔线轮廓。
7.根据权利要求6所述的厚玻璃的超快激光加工方法，其特征在于，所述步骤S104之后还包括，通过预置的分离方式将所述待分离玻璃沿所述穿孔线轮廓进行分离，所述预置的分离方式包括机械应力分离方式、CO2应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种分离方式组合。
8.根据权利要求6所述的厚玻璃的超快激光加工方法，其特征在于，所述激光器的脉冲能量为0.2～10mj，所述激光器的脉冲宽度为1～100ps。
9.根据权利要求6所述的厚玻璃的超快激光加工方法，其特征在于，所述贝塞尔光学整形模块包括轴棱锥。
10.根据权利要求6所述的厚玻璃的超快激光加工方法，其特征在于，所述聚光镜模块包括沿光轴水平依次的前置聚光镜群组与后置聚光镜群组，所述前置聚光镜群组与所述后置聚光镜群组之间设置空气间隔，后置聚光镜群组包括若干个沿光轴水平设置的非球面透镜，相邻的所述非球面透镜之间设置空气间隔。
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