CN113333966B - 一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，该方法适用于厚度≤200μm的薄石英玻璃切割；采用高重频飞秒激光器结合高速高精度扫描振镜作为加工平台，通过改变激光参数来调控飞秒光丝长度、光丝能量分布、脉冲重叠率、脉冲能量沉积及光丝在石英玻璃内部的相对位置，进而实现石英玻璃高质高效切割；本发明能够对厚度≤200μm石英玻璃材料实现单次扫描直接切割，无需后处理过程，切割断面粗糙度小于1.5μm，切割边缘崩边小于12.5μm，加工速度达到10mm/s；该方法操作简单，光路调试方便，实现了薄石英玻璃切割加工效率和加工质量的同步提升。

Description

一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法

技术领域

本发明属于飞秒激光微加工技术领域，特别涉及一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法。

背景技术

近年来，随着3C、集成电子、MEMS、光伏等行业的飞速发展，硬脆透明材料被广泛应用，石英玻璃以其良好的物理、化学性能大量应用于手机、平板电脑、微机器和其他电子设备中，特别是在航空航天领域，石英玻璃应用于石英振梁加速度计、石英摆锤、MEMS陀螺仪等惯性仪器的关键部件。在这些关键部件的制造过程中，往往需要对石英玻璃按照尺寸要求进行切割加工，而切割质量的好坏与部件的装配、性能、使用寿命有着很大的影响。目前，石英玻璃切割主要有传统和非传统的加工方法。传统加工主要采用金刚石切割轮切割，切割质量较差；非传统方法包括水射流和激光加工。

近年来，超快激光器因其高加工精度而成为研究的热点。裂纹控制方法是激光切割玻璃中广泛应用的一种方法，其首先采用激光束在玻璃表面形成划痕，然后通过后续的机械应力或者热应力，使玻璃沿预设的切割道裂开；这种方法需要严格控制划痕的深度以及后续裂片过程的工艺参数，加工工艺复杂，产品成品率稍低。采用激光直接烧蚀切割的方法可以避免切割后续处理过程，但是石英玻璃的烧蚀阈值较大，皮秒激光等峰值功率较低，单次扫描材料去除率低，实现完全切割需要采取重复扫描，这就大大降低了加工效率。采用贝塞尔光束进行玻璃切割其设备成本较高，且其安装调试需要更高的技术要求，其对厚玻璃切割很有帮助，对薄石英玻璃切割则显得没有必要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，充分利用飞秒激光功率密度高，在材料中可以形成稳定长焦深光丝的特点以及高重频激光可以在保证光斑重叠率的前提下可以有效提高扫描速度的优势实现了薄石英玻璃的单次直接高质高效切割。切割断面粗糙度小于1.5μm，切割边缘崩边小于12.5μm；该方法操作简单，光路调试方便，实现了薄石英玻璃切割加工效率和加工质量的同步提升。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，该方法适用于厚度≤200μm的薄石英玻璃切割。通过改变激光参数来调控飞秒光丝长度、光丝能量分布、脉冲重叠率、脉冲能量沉积及光丝在石英玻璃内部的相对位置，进而实现石英玻璃高质高效切割。

一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，包括以下步骤：

1)对石英玻璃样品表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥的空气吹干得到干净的石英玻璃片样品；

2)搭建光路，光路包括高重频飞秒激光器1，高重频飞秒激光器1输出光经过第一反射镜2使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜3、小孔光阑4、扩束镜5、第三反射镜6、高速高精度扫描振镜7垂直照射在剪式升降台8的加工工位上，高重频飞秒激光器1、高速高精度扫描振镜7的振镜控制单元9和电脑10连接；

3)利用电脑10调节高重频飞秒激光器1输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为1-200KHz，最大单脉冲能量为200μJ；

4)将干净的石英玻璃样品固定剪式升降台8的加工工位上；

5)通过激光划线方式对石英玻璃进行切割，调节激光单脉冲能量、扫描速度、重复频率和离焦量，获得激光切割薄石英玻璃的最优基本参数：单脉冲能量80-120μJ，重复频率100KHz，扫描速度8-10mm/s，离焦量-100μm；

6)切割加工完成后，将石英玻璃样品分别用丙酮和无水乙醇分别超声清洗15min，然后利用干燥的空气吹干。

本发明具有如下的有益效果：

本发明利用高重频飞秒激光结合高速高精度扫描振镜作为切割加工平台，高单脉冲能量的激光在空气中可以形成稳定长光丝，通过调节激光单脉冲能量、重复频率、扫描速度以及离焦量改变飞秒光丝长度、光丝能量分布，脉冲重叠率、脉冲能量沉积及光丝在玻璃材料内部的相对位置，优化薄石英玻璃切割断面的粗糙度和边缘崩边。

本发明利用飞秒激光光丝效应相比于高斯光束长无衍射长度的特点，可以实现在透明玻璃材料切割的一次成型，无需采取多次扫描的方法增加切割深度，提高了薄玻璃切割的加工效率；由于采取单次扫描直接切割，断面粗糙度和边缘崩边较小；同时，相比于贝塞尔光束，由于飞秒光丝没有旁瓣带来的能量损失，因此，其能量利用率更高；高重频飞秒激光结合高速高精度扫描振镜的光路***可以在保证切割加工光斑重叠率的前提下有效提高扫描速度。此种方法操作简单，光路调试方便，实现了薄石英玻璃切割加工质量和效率的同步提升。

附图说明

图1为飞秒激光切割薄石英玻璃原理示意图：其中(a)为飞秒激光多次扫描切割石英玻璃示意图；(b)为飞秒激光光丝单次直接切割石英玻璃示意图；(c)为飞秒激光光丝单次扫描结合裂片切割石英玻璃示意图。

图2为本发明的光路示意图。

图3为本发明实施例1切割石英玻璃效果图。

图4为本发明实施例2切割石英玻璃效果图。

图5为本发明实施例3切割石英玻璃效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，此方法适用于厚度≤200μm的薄石英玻璃切割。其基本原理是通过改变激光参数来调控飞秒光丝长度、光丝能量分布、脉冲重叠率、脉冲能量沉积及光丝在石英玻璃内部的相对位置，进而实现石英玻璃高质高效切割。

实施例1，一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，包括以下步骤：

1)选取面积为20×20mm²，厚度≤200μm的石英玻璃样品，其表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥空气吹干得到干净的石英玻璃样品；

2)搭建光路，参照图2，光路包括高重频飞秒激光器1，高重频飞秒激光器1输出光经过第一反射镜2使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜3、小孔光阑4、扩束镜5、第三反射镜6、高速高精度扫描振镜7垂直照射在剪式升降台8的加工工位上，高重频飞秒激光器1、高速高精度扫描振镜7的振镜控制单元9和电脑10连接；

3)利用电脑10调节高重频飞秒激光器1输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为1-200KHz，最大单脉冲能量为200μJ；

4)将步骤1)制备的干净的石英玻璃样品固定在剪式升降台8加工工位上；

5)高重频飞秒激光1经高速高精度扫描振镜7对石英玻璃进行划线切割，通过电脑10调节激光功率、重复频率、扫描速度，通过剪式升降台8调节离焦量，通过激光参数的调控来改变空气中光丝长度、能量分布以及在石英玻璃中所处的位置，进而实现石英玻璃高质高效切割，获得加工参数组合：激光单脉冲能量为100μJ，重复频率为100KHz，扫描速度10mm/s，离焦量为-100μm；

6)切割加工完成后，将石英玻璃样品分别用丙酮和无水乙醇分别超声清洗15min，然后利用干燥的空气吹干，之后用光学显微镜、激光共聚焦显微镜观察切割样品边缘崩边和断面粗糙度。

本实施例的有益效果为：参照图3，本实施例可得到边缘崩边为7.25μm、断面粗糙度为0.98μm的切割样品，切割速度达到10mm/s，实现了石英玻璃样品的一次性直接切割，无需后处理过程，适用于需要薄玻璃高速高质量直接切割的应用场景；且由于其实现了薄玻璃的切割加工的一次成型，所以其在器件装配过程无需二次处理；采用此实施例可以在既满足石英玻璃切割工艺要求的同时，无需后续酸洗等要求，在航天石英加速度计、3C显示等领域有广泛应用。

实施例2，将实施例1步骤5)加工参数组合改为：激光单脉冲能量为80μJ，重复频率为100KHz，扫描速度9mm/s，离焦量为-100μm。其加工效果参照图4所示，得到边缘崩边为9.55μm、断面粗糙度为1.28μm的切割样品，切割速度达到10mm/s，切割样品在一次扫描后并没有实现直接裂开，需要后续的机械应力将其裂开。

本实施例的有益效果为：参照图4，本实施例得到的石英玻璃切割样品较实施例1并没有实现石英玻璃的单次扫描直接切割，边缘崩边和断面粗糙度略有增加，扫描速度不变，此种石英玻璃切割工艺适合应用于石英玻璃基底的MEMS芯片及对表面清洁度要求高的玻璃基微器件的切割制造，由于此工艺可以实现玻璃样品在激光加工过程时单面的无损伤，可以有效保护基底上面附着芯片电路的完整性，提高产品成品率；同时，由于玻璃切割时没有完全切透，表面不会沉积加工过程中产生的粉尘和热影响，可以有效保护器件表面的材料完整性，减少加工粉尘、热等对产品使用性能的影响；此实施例在芯片制造、光伏领域有广泛应用。

实施例3，将实施例1步骤5)加工参数组合改为：激光单脉冲能量为120μJ，重复频率为100KHz，扫描速度8mm/s，离焦量为-100μm。其加工效果参照图5所示，得到边缘崩边为12.25μm、断面粗糙度为1.4μm的切割样品，切割速度达到8mm/s，切割样品在一次扫描后并不能实现直接裂开，但是飞秒光丝已完全贯穿整个玻璃厚度，需要后续的机械应力将其裂开。

本实施例的有益效果为：参照图5，本实施例得到的石英玻璃切割样品已被激光光丝贯穿但不能实现自主分开，需要后续机械应力将其裂开，由于此工艺较实施例1单脉冲能量有所增加，扫描速度有所减少，这就造成切割样品崩边和断面粗糙度都相应增大，但是，由于单脉冲能量的增加和扫描速度的降低增加了脉冲能量在切割断面的沉积，断面产生了熔化粘连，裂片较难，此种工艺对高重频飞秒激光结合高速扫描振镜对薄石英玻进行切割连接一体化提供了工艺探索；本实施例工艺简单、能量利用率高、在石英玻璃超快激光微连接加工方面具有广阔的应用探索空间。

Claims (2)

1.一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，所述的薄石英玻璃适用于厚度＝200μm，通过改变激光参数来调控飞秒光丝长度、光丝能量分布、脉冲重叠率、脉冲能量沉积及光丝在石英玻璃内部的相对位置，进而实现石英玻璃高质高效切割；

其特征在于，包括以下步骤：

1)对薄石英玻璃样品表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥的空气吹干得到干净的石英玻璃片样品；

2)搭建光路，光路包括高重频飞秒激光器(1)，高重频飞秒激光器(1)输出光经过第一反射镜(2)使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜(3)、小孔光阑(4)、扩束镜(5)、第三反射镜(6)、高速高精度扫描振镜(7)垂直照射在剪式升降台(8)的加工工位上，高重频飞秒激光器(1)、高速高精度扫描振镜(7)的振镜控制单元(9)和电脑(10)连接；

3)利用电脑(10)调节高重频飞秒激光器(1)输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为1-200KHz，最大单脉冲能量为200μJ；

4)将干净的石英玻璃样品固定剪式升降台(8)的加工工位上；

5)通过激光划线方式对石英玻璃进行单次直接高质量切割，调节激光单脉冲能量、扫描速度、重复频率和离焦量，获得激光切割薄石英玻璃的最优基本参数：单脉冲能量100μJ，重复频率100KHz，扫描速度10mm/s，离焦量-100μm；

6)切割加工完成后，将石英玻璃样品分别用丙酮和无水乙醇分别超声清洗15min，然后利用干燥的空气吹干。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，其特征在于：

步骤1)选取面积为20×20mm²的石英玻璃样品；

步骤5)高重频飞秒激光经高速高精度扫描振镜(7)对石英玻璃进行划线切割，通过电脑(10)调节激光功率、重复频率、扫描速度，通过剪式升降台(8)调节离焦量，通过激光参数的调控来改变空气中光丝长度、能量分布以及在石英玻璃中所处的位置，进而实现石英玻璃单次高质高效切割，获得加工参数组合；

步骤6)干燥之后用光学显微镜、激光共聚焦显微镜观察切割样品边缘崩边和断面粗糙度。

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