CN113419352A - 用于高斯光束整形的光学机构、激光切割***及工艺 - Google Patents

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CN113419352A CN202110966018.7A CN202110966018A CN113419352A CN 113419352 A CN113419352 A CN 113419352A CN 202110966018 A CN202110966018 A CN 202110966018A CN 113419352 A CN113419352 A CN 113419352A
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金奉渊
李琰
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Abstract

本发明提供一种用于高斯光束整形的光学机构，包括：第一透镜和准直结构，所述第一透镜用于将高斯光束整形为扇形发散的线性光束，所述准直结构用于对所述线性光束进行准直，使其光束截面为线性光斑，且所述线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布；所述第一透镜包括第一入射面和第一出射面，所述第一入射面的曲率半径为正，圆锥系数为负，所述第一出射面为平面。由于采用新型的CO Laser（一氧化碳激光器），搭配线性光束的光学机构，大大提升了超薄玻璃的切割品质及切割强度，为超薄玻璃高强度要求的应用场景提供激光切割的工艺解决方案，并且，光学机构结构简单，大大降低了成本。

Description

用于高斯光束整形的光学机构、激光切割***及工艺
技术领域
本发明涉及超薄玻璃切割加工技术领域，具体而言，涉及一种用于高斯光束整形的光学机构、激光切割***及工艺。
背景技术
本文提到的超薄玻璃，指厚度在0.1mm以下的玻璃，在其切割领域，目前基本上是使用激光切割或叠片刀轮切割的方式来完成；激光切割一般使用红外（飞秒或皮秒）激光整形为贝塞尔光束，采用该种切割方案的话，在切割后，正面切割品质较差，存在一定程度的崩边，断面粗糙，大大降低了超薄玻璃产品的强度。在一些如折叠屏的应用场合，以上工艺方案并不能满足产品需求。
发明内容
本发明旨在提供一种用于高斯光束整形的光学机构、激光切割***及工艺，用以改善切割品质，提升超薄玻璃产品强度。
本发明提供的一种用于高斯光束整形的光学机构，包括：第一透镜和准直结构，所述第一透镜用于将高斯光束整形为扇形发散的线性光束，所述准直结构用于对所述线性光束进行准直，使其光束截面为线性光斑，且所述线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布；
所述第一透镜包括第一入射面和第一出射面，所述第一入射面的曲率半径为正，圆锥系数为负，所述第一出射面为平面。
作为优选的技术方案，所述准直结构包括第二透镜和第三透镜，所述第二透镜的轴线与水平方向平行，所述第三透镜的轴线与竖直方向平行。
作为优选的技术方案，所述线性光束的长度为l，所述l受所述第一出射面到第二透镜的第二入射面的距离L、第一透镜的厚度H以及扇形发散角Ѳ的约束，约束公式为：
Figure 12066DEST_PATH_IMAGE001
。
作为优选的技术方案，所述扇形发散角为15°～30°；
所述第一入射面的曲率半径为0.4～0.8，圆锥系数为-3.2～-10。
作为优选的技术方案，射入所述第一透镜的高斯光束的直径为0.78±0.02mm。
作为优选的技术方案，所述线性光束长度为16mm，宽度为0.3mm。
还提供一种超薄玻璃激光切割***，包括激光源、反向激光扩束镜；所述激光源用于输出高斯光束，所述反向激光扩束镜用于将所述高斯光束的直径调整为预设值；
所述激光切割***还包括如上所述的用于高斯光束整形的光学机构。
作为优选的技术方案，所述激光源为一氧化碳激光器。
作为优选的技术方案，所述激光切割***还包括用于改变所述高斯光束的传播方向的反射镜。
还一种超薄玻璃的激光切割工艺，包括：
方向调整步骤，将高斯光束射入反射镜表面，反射后的高斯光束与超薄玻璃加工面垂直；
光束整形步骤，用第一透镜对射入的高斯光束进行整形，然后射出扇形发散的线性光束，再依次经过第二透镜和第三透镜进行准直，使其光束截面为线性光斑，且线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布；
位置校准步骤，调整超薄玻璃或线性光束的位置，使线性光束的位置与超薄玻璃上的切割线平行。
作为优选的技术方案，所述位置校准步骤包括：
使用高精度的相机或者激光传感器识别超薄玻璃产品的位置，生成产品位置坐标；使用激光光斑采集器或者光束分析仪采集线性光斑的位置，生成线性光斑位置坐标；根据产品位置坐标和线性光斑位置坐标，调整超薄玻璃或线性光束的位置，使线性光束的位置与超薄玻璃上的切割线平行。
作为优选的技术方案，在所述光束整形步骤之前，还包括直径调整步骤：
用反向激光扩束镜将高斯光束的直径调整为预设值；
所述预设值为0.78±0.02mm。
作为优选的技术方案，所述超薄玻璃的厚度小于0.1mm。
综上所述，由于采用新型的CO Laser（一氧化碳激光器），搭配线性光束的光学机构，大大提升了激光切割超薄玻璃的品质及切割强度，为超薄玻璃高强度要求的应用场景提供激光切割的工艺解决方案，并且，光学机构结构简单，大大降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例一的光学机构的示意图；
图2为本发明实施例一的第二透镜与第三透镜的位置关系示意图；
图3为本发明实施例一的线性光束沿长度方向的能量分布的示意图；
图4为本发明实施例二的激光切割***的示意图；
图5为本发明实施例三的激光切割工艺流程图；
图标：
1为激光源、2为反射镜、3为反向激光扩束镜、4为光学机构、5为超薄玻璃、6为线性光束、7为切割线、8为第一透镜、9为第二透镜、10为第三透镜、81为第一入射面、82为第一出射面、91为第二入射面、92为第二出射面、101为第三入射面、102为第三出射面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
发明人在日常研究中发现，现有的超薄玻璃切割基本上是使用激光切割或叠片刀轮切割的方式来完成；在切割后，正面切割品质较差，存在一定程度的崩边，断面粗糙，大大降低了超薄玻璃产品的强度。在一些如折叠屏的应用场合，以上工艺方案并不能满足产品需求。
基于此，发明人提出一种用于高斯光束整形的光学机构、激光切割***及工艺。概括的说，使用CO Laser（一氧化碳激光器），其出射光束为高斯光束，中心波长5.5 ±0.25um，频率0-200kHz，之后借助光学机构对CO Laser的高斯光束进行整形，将高斯光束整形为均匀的线性光束进行加工，需要注意的是，由于水对CO Laser（一氧化碳激光）吸收率较高，必须使用全封闭光路搭配干燥空气去除水分。以下通过实施例对本发明的光学机构、激光切割***及工艺进行具体说明。
实施例一
如图1、图2、图3所示，本实施例提出一种用于高斯光束整形的光学机构，包括：第一透镜8和准直结构。
其入射光束为0.78±0.02mm（ 1/e2)的高斯光束，所述第一透镜8用于将高斯光束整形为扇形发散的线性光束，线性光束长度随光束传播距离而变化；所述第一透镜8包括第一入射面81和第一出射面82，所述第一入射面81的曲率半径为正，圆锥系数为负，所述第一出射面82为平面，其作用在于使产生的线性光束具有良好的均匀性。如果想改变扇形发散的线性光束的发散角，可以通过改变第一入射面81的曲率半径和圆锥系数来实现。考虑到光学透镜的尺寸和空间布局，需要保证发散角不能太大，本实施例中的发散角控制在15°～30°，第一入射面81的曲率半径控制在0.4～0.8，圆锥系数控制在-3.2～-10。
所述准直结构用于对所述线性光束进行准直，所述准直结构包括第二透镜9和第三透镜10，结合图2所示，第二出射面92和第三出射面102，其表面类似圆柱面，图2中的虚线代表第二出射面92和第三出射面102的轴线，所述第二透镜9的轴线与水平方向平行，所述第三透镜10的轴线与竖直方向平行，也可以理解为，第二透镜9与第三透镜10的垂直设置。所述准直结构使其光束截面为线性光斑，且所述线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布，保证从第三透镜10的第三出射面102到加工段的线性光束以相同的长度和宽度传播，第二透镜9由第二入射面91和第二出射面92组成，第三透镜10由第三入射面101和第三出射面102组成。
其中，相对于光束传播方向，第二透镜9的第二出射面92的曲率半径可以为-30，第三透镜10的第三出射面102的曲率半径可以为-28。本实施例提及的线性光束长度为16mm，宽度为0.3mm。但也不局限于以上尺寸，可以通过调整第一出射面82与第二入射面91的距离及扇形发散角即可调整线性光束的长度，它们之间的关系如下所示：
所述线性光束的长度为l，所述l受所述第一出射面82到第二透镜9的第二入射面91的距离L、第一透镜8的厚度H以及扇形发散角Ѳ的约束，约束公式为：
Figure 826438DEST_PATH_IMAGE001
。
综上所述，由于采用新型的CO Laser（一氧化碳激光器），搭配线性光束的光学机构，大大提升了超薄玻璃的切割品质及切割强度，为超薄玻璃高强度要求的应用场景提供激光切割的工艺解决方案，并且，光学机构结构简单，大大降低了成本。
实施例二
本实施例提供一种超薄玻璃激光切割***，如图1、图2、图3、图4所示，该***包括实施例一中所述的光学机构。
具体的说，超薄玻璃激光切割***包括激光源1、反向激光扩束镜3；所述激光源1用于输出高斯光束，所述反向激光扩束镜3用于将所述高斯光束的直径调整为预设值；所述预设值为0.78±0.02mm。本实施例采用的激光源1为一氧化碳激光器，其规格参数如表1所示。
一氧化碳激光器
波长 5.5 ±0.25um
平均功率 100W
频率 0- 200kHz
光束质量 M2<1.2
光束发散角 ≤8.0mrad
光斑圆度 ≥0.83, ≤1.2
功率稳定性 ±5%
光斑直径 1.8±0.2 (mm, 1/e2)
表1。
针对不同厚度的超薄玻璃5，使用不同的参数（频率，功率，加工速度，脉冲宽度）的一氧化碳激光器进行切割，具体参数如表2所示，本实施例主要针对0.1mm以下的超薄玻璃5进行开发测试。
超薄玻璃厚度 频率 功率 速度 脉宽百分比 脉冲宽度
0.03 mm 50 kHz 2.1 W 80 mm/s 17% 3.4 us
0.07 mm 50 kHz 3.6 W 80 mm/s 19% 3.8 us
0.100 mm 50 kHz 18.4 W 100 mm/s 34% 7 us
表2。
上述提到的激光切割***还包括光学机构4，所述光学机构4包括第一透镜8和准直结构，所述第一透镜8用于将调整后的所述高斯光束整形为扇形发散的线性光束6，所述准直结构用于对所述线性光束6进行准直，使其光束截面为线性光斑，且所述线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布。
所述第一透镜8包括第一入射面81和第一出射面82，所述第一入射面81的曲率半径为正，圆锥系数为负，所述第一出射面82为平面。其作用在于使产生的线性光束6具有良好的均匀性。如果想改变扇形发散的线性光束6的发散角，可以通过改变第一入射面81的曲率半径和圆锥系数来实现。考虑到光学透镜的尺寸和空间布局，需要保证发散角不能太大，本实施例中的发散角控制在15°～30°，第一入射面81的曲率半径控制在0.4～0.8，圆锥系数控制在-3.2～-10。
所述准直结构用于对所述线性光束6进行准直，所述准直结构包括第二透镜9和第三透镜10，所述第二透镜9与所述第三透镜10垂直设置，所述准直结构使其光束截面为线性光斑，且所述线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布，保证从第三透镜10的第三出射面102到加工段的线性光束6以相同的长度和宽度传播，第二透镜9由第二入射面91和第二出射面92组成，第三透镜10由第三入射面101和第三出射面102组成。
其中，相对于光线传播方向，第二透镜9的第二出射面92的曲率半径可以为-30，第三透镜10的第三出射面102的曲率半径可以为-28。本实施例提及的线性光束6长度为16mm，宽度为0.3mm。但也不局限于以上尺寸，通过调整第一出射面82与第二入射面91的距离及扇形发散角即可调整线性光束6的长度，它们之间的关系如下所示：
所述线性光束6的长度为l，所述l受所述第一入出面到第二透镜9的第二入射面91的距离L、第一透镜8的厚度H以及扇形发散角Ѳ的约束，约束公式为：
Figure 334387DEST_PATH_IMAGE001
。
另外，由于空间的限制，往往需要改变光束传播的方向，因此，所述激光切割***还包括用于改变所述高斯光束的传播方向的反射镜2。反射镜2按照一定角度安装，确保一氧化碳激光器的光束经反射镜2反射后，激光光束与加工面相互垂直，并且，为了确保线性光束6的位置与超薄玻璃5上的切割线7平行（近似重合），需要根据情况，调整超薄玻璃5或线性光束6的位置。使用高精度的相机或者激光传感器识别超薄玻璃产品的位置，生成产品位置坐标；使用激光光斑采集器或者光束分析仪采集线性光斑的位置，生成线性光斑位置坐标；根据产品位置坐标和线性光斑位置坐标，调整超薄玻璃5或线性光束6的位置，使线性光束6的位置与超薄玻璃5上的切割线7平行。
概括的说，本实施例的激光切割***由于采用新型的CO Laser（一氧化碳激光器），搭配线性光束6的光学机构4，大大提升了超薄玻璃5的切割品质及切割强度，为超薄玻璃5高强度要求的应用场景提供激光切割的工艺解决方案，并且，光学机构4结构简单，大大降低了成本。
实施例三
本实施例提供一种超薄玻璃的激光切割工艺，如图5所示，该工艺与实施例二中的激光切割***相对应，用于对厚度小于0.1mm超薄玻璃进行激光切割。
具体包括以下步骤：
方向调整步骤，将高斯光束射入反射镜表面，反射后的高斯光束与超薄玻璃加工面垂直；
直径调整步骤，用反向激光扩束镜将高斯光束的直径调整为预设值，所述预设值为0.78±0.02mm；
光束整形步骤，用第一透镜对射入的高斯光束进行整形，然后射出扇形发散的线性光束，再依次经过第二透镜和第三透镜进行准直，使其光束截面为线性光斑，且线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布；
位置校准步骤，调整超薄玻璃或线性光束的位置，使线性光束的位置与超薄玻璃上的切割线平行。
作为优选的实施方式，上述位置校准步骤包括：
使用高精度的相机或者激光传感器识别超薄玻璃产品的位置，生成产品位置坐标；使用激光光斑采集器或者光束分析仪采集线性光斑的位置，生成线性光斑位置坐标；根据产品位置坐标和线性光斑位置坐标，调整超薄玻璃或线性光束的位置，使线性光束的位置与超薄玻璃上的切割线平行。
为了本领域技术人员更好的实施与理解所述技术方案，本实施例通过以下具体实施方式进行说明。
在实际应用中
第1步，需要激光光源，发射激光光束，本实施方式使用CO Laser（一氧化碳激光器），发射出直径为1.8mm（ 1/e2)的高斯光束。
第2步，由于空间的限制，需要改变光束传播的方向，使用反射镜，用于改变激光光束的传播方向， CO Laser（一氧化碳激光器）光束入射到其表面，经反射，保证激光光束与加工面相互垂直。
第3步，需要改变激光光束的尺寸，使用激光扩束镜，本实施方式使用提及的光学构成要求输入的激光光束直径为0.78±0.02mm（ 1/e2)，但CO Laser（一氧化碳激光器）输出光束直径为1.8mm（ 1/e2)，因此需要对光束直径进行调整，反向激光扩束镜可以达到缩小激光光束的目的，本实施方式需要使用2.3～2.4倍的扩束镜进行光束直径调整。
第4步，需要使用上述实施例中提到的光学机构，经第3步调整后的激光光束直径为0.78±0.02mm（ 1/e2)，其输入到光学机构，经光学机构各透镜的光束整形，0.78±0.02mm（ 1/e2)的光束变为长度16mm，宽度0.3mm且能量分布均匀的线性光束。虽然本实施方式使用长度16mm的线性光束，但此处输出光束长度不局限于16mm，可根据实际应用场景的需要改变光束长度。
第5步，添加超薄玻璃产品，本实施方式提及的工艺方法适用于厚度0.1mm以下的超薄玻璃，需要注意的是，产品需放置在水平面上，以保证与第4步出射的线性光束相互垂直。
第6步，对超薄玻璃进行加工，长度16mm，宽度0.3mm的线性光束在超薄玻璃表面进行激光切割，为保证加工效率，线性光束与切割线必须平行。
第7步，超薄玻璃生成切割线，产品分离，完成激光切割工艺。
本实施方式提出的工艺方法的具体生产实施如下所述：
1）超薄玻璃产品投入，为保证本工艺的效率，使用自动上料的方式，可使用机械手臂、传送吸盘或者传送带的方式完成；
2）超薄玻璃产品固定，本实施方式提出的工艺方式是高速加工工艺，为保证工艺的稳定性，必须将超薄玻璃产品固定与切割平台上，可使用真空吸附或者卡箍的固定方式来完成；
3）超薄玻璃产品位置识别，为保证切割工艺的精度，使用高精度的相机或者激光传感器识别超薄玻璃产品的位置，生成产品位置坐标；
4）超薄玻璃水平校准，使用高精度激光传感器，测量超薄玻璃放置的平坦度，并配合升降平台，按照工作原理第5步要求，调整平坦度，保证超薄玻璃与线性光束相互垂直；
5）线性光束位置识别，使用激光光斑采集器或者光束分析仪采集上述第4步产生的线性光束的位置，生成线性光束的位置坐标信息；
6）超薄玻璃-线性光束相对位置校准，根据上述3）与5）生成的超薄玻璃与线性光束的坐标信息，调整超薄玻璃或线性光束的位置，按工作原理第6步要求保证，保证超薄玻璃的切割线与线性光束平行；
7）切割，完成上述超薄玻璃位置及线性光束位置调整后，根据切割图纸要求，对超薄玻璃进行激光切割；
8）超薄玻璃残材分离，切割完成后，使用机械手臂或真空吸盘抓取成品，并使用清洁刷将残材清扫至废料箱；
9）检测，对切割后的超薄玻璃成品进行检测，检查切切割尺寸，切割精度，外观。
概括的说，本实施例的激光切割工艺由于采用新型的CO Laser（一氧化碳激光器），搭配线性光束的光学机构，大大提升了超薄玻璃的切割品质及切割强度，为超薄玻璃高强度要求的应用场景提供激光切割的工艺解决方案，并且，光学机构结构简单，大大降低了成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于高斯光束整形的光学机构，其特征在于，包括：第一透镜和准直结构，所述第一透镜用于将高斯光束整形为扇形发散的线性光束，所述准直结构用于对所述线性光束进行准直，使其光束截面为线性光斑，且所述线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布；
所述第一透镜包括第一入射面和第一出射面，所述第一入射面的曲率半径为正，圆锥系数为负，所述第一出射面为平面。
2.根据权利要求1所述的用于高斯光束整形的光学机构，其特征在于，所述准直结构包括第二透镜和第三透镜，所述第二透镜的轴线与水平方向平行，所述第三透镜的轴线与竖直方向平行。
3.根据权利要求2所述的用于高斯光束整形的光学机构，其特征在于，所述线性光束的长度为l，所述l受所述第一出射面到所述第二透镜的第二入射面的距离L、第一透镜的厚度H以及扇形发散角Ѳ的约束，约束公式为：
Figure 350560DEST_PATH_IMAGE001
。
4.根据权利要求3所述的用于高斯光束整形的光学机构，其特征在于，所述扇形发散角为15°～30°；
所述第一入射面的曲率半径为0.4～0.8，圆锥系数为-3.2～-10。
5.根据权利要求1所述的用于高斯光束整形的光学机构，其特征在于，射入所述第一透镜的高斯光束的直径为0.78±0.02mm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的用于高斯光束整形的光学机构，其特征在于，所述线性光束长度为16mm，宽度为0.3mm。
7.一种超薄玻璃激光切割***，其特征在于，包括激光源、反向激光扩束镜；所述激光源用于输出高斯光束，所述反向激光扩束镜用于将所述高斯光束的直径调整为预设值；
所述激光切割***还包括如权利要求1至5任意一项所述的用于高斯光束整形的光学机构。
8.根据权利要求7所述的激光切割***，其特征在于，所述激光源为一氧化碳激光器。
9.根据权利要求7所述的激光切割***，其特征在于，所述激光切割***还包括用于改变所述高斯光束的传播方向的反射镜。
10.一种超薄玻璃的激光切割工艺，其特征在于，包括：
方向调整步骤，将高斯光束射入反射镜表面，反射后的高斯光束与超薄玻璃加工面垂直；
光束整形步骤，用第一透镜对射入的高斯光束进行整形，射出扇形发散的线性光束，再依次经过第二透镜和第三透镜进行准直，使其光束截面为线性光斑，且线性光斑在沿着其长度方向上，能量均匀分布；
位置校准步骤，调整超薄玻璃或线性光束的位置，使线性光束的位置与超薄玻璃上的切割线平行。
11.根据权利要求10所述的激光切割工艺，其特征在于，所述位置校准步骤包括：
使用高精度的相机或者激光传感器识别超薄玻璃产品的位置，生成产品位置坐标；使用激光光斑采集器或者光束分析仪采集线性光斑的位置，生成线性光斑位置坐标；根据产品位置坐标和线性光斑位置坐标，调整超薄玻璃或线性光束的位置，使线性光束的位置与超薄玻璃上的切割线平行。
12.根据权利要求10所述的激光切割工艺，其特征在于，在所述光束整形步骤之前，还包括直径调整步骤：
用反向激光扩束镜将高斯光束的直径调整为预设值；
所述预设值为0.78±0.02mm。
13.根据权利要求10所述的激光切割工艺，其特征在于，所述超薄玻璃的厚度小于0.1mm。
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