CN114149171A - 一种纳秒激光劈裂玻璃方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料激光加工工艺领域，一种纳秒激光劈裂玻璃方法，包括形成初始损伤面：聚焦激光束在透明玻璃工件，通过激光束在透明玻璃工件内部产生不可逆的裂纹损伤与残余应力，激光束的每个脉冲均会产生一个单个的细长的不可逆初始损伤，在控制激光束沿着扫描轨迹，在透明玻璃工件形成初始损伤面；诱导初始损伤扩展：使用二氧化碳激光束沿着步骤1中的扫描轨迹再次扫描，通过加热诱导初始损伤面的裂纹在残余应力作用下扩展，初始损伤面中不连续的单个损伤逐渐扩展相连，形成宏观的缝隙，透明玻璃工件沿着宏观缝隙裂开完成分片切割。该工艺可降低工艺难度、降低工艺成本、提升加工效率，有利于拓展激光切割工艺在玻璃切割行业中的一般性应用。
Description
技术领域
本发明涉及材料激光加工工艺领域，特别是一种纳秒激光劈裂玻璃方法。
背景技术
目前，玻璃激光切割工艺已广泛应用于各玻璃加工行业，如电子显示玻璃、光伏玻璃、汽车玻璃等。与传统机械切割或水射流切割相比，激光切割具有质量高、成品率高、无水污染等优点。激光切割工艺用于玻璃分片，一般通过聚焦的激光脉冲在玻璃内产生初始损伤，然后使用辅助手段沿着损伤轨迹诱导裂纹进行扩展，最终实现玻璃材料的裂片。
为诱导高熔点、硬脆玻璃材料内部产生初始损伤，选择皮秒、飞秒超短脉冲激光源，并将光束聚焦使脉冲能量密度高于损伤阈值。在中国发明专利说明书CN106966580B中公开了一种飞秒激光切割玻璃的方法，采用飞秒激光聚焦于材料内部产生应力的方式进行玻璃的分片切割。针对厚玻璃深度方向上损伤深度要求，超短脉冲激光束经过空间整形，如具有大焦深的贝塞尔光束切割头。在中国发明专利说明书CN111302613A中公开的一种皮秒激光切割超厚玻璃的方法，采用1-50ps激光束整形为0.3-1mm细丝状光斑以实现较厚玻璃的切割，对更厚的玻璃需多次移动聚焦平面。
以上飞秒和皮秒激光切割透明玻璃材料的损伤形式均为丝状，通过提高深度方向上的损伤深度提高效率，目前尚未出现纳秒激光形成丝状损伤进行切割的报道。相比于纳秒激光源，超快激光源与贝塞尔光束切割头的工艺存在设备复杂、成本高的缺点，而且超快激光单脉冲能量低导致损伤范围小，限制切割速度的提升。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的一种纳秒激光劈裂玻璃方法，该工艺是一种高重复频率、高脉冲能量的纳秒脉冲激光的分片切割工艺，从而降低工艺难度、降低工艺成本、提升加工效率，该工艺有利于拓展激光切割工艺在玻璃切割行业中的一般性应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1，形成初始损伤面：聚焦激光束在透明玻璃工件，通过激光束在透明玻璃工件内部产生不可逆的裂纹损伤与残余应力，激光束的每个脉冲均会产生一个单个的细长的不可逆初始损伤，在控制激光束沿着扫描轨迹，在透明玻璃工件形成初始损伤面；
步骤2、诱导初始损伤扩展：使用二氧化碳激光束沿着步骤1中的扫描轨迹再次扫描，通过加热诱导初始损伤面的裂纹在残余应力作用下扩展，初始损伤面中不连续的单个损伤逐渐扩展相连，形成宏观的缝隙，透明玻璃工件沿着宏观缝隙裂开完成分片切割。
2.根据权利要求1所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述二氧化碳激光束为连续激光，功率大于100W，光束经过聚焦扫描时负离焦量0.1-0.3mm，扫描速度1000-3000mm/s。
3.根据权利要求1所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述纳秒激光劈裂玻璃方法使用的设备包括秒脉冲激光器、扩束镜、反射镜、聚焦镜头和移动平台；
秒脉冲激光器，用于发射激光束；
扩束镜，设置在秒脉冲激光器激光束发射端的前方并与激光束同轴，用于对激光束扩束，
反射镜，设置在扩束镜的前方，用于对激光束反射并使得激光束进入聚焦镜头；
聚焦镜头，设置在经过反射镜反射激光束的路径上，用于将激光束聚焦于透明玻璃工件内部；
移动平台，承载透明玻璃工件，用于使透明玻璃工件所在的水平面内移动。
4.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述纳秒脉冲激光器的频率为40-60kHz，脉冲宽度为10-20ns，单脉冲能量大于0.6mJ，光斑模式为TEM00高斯光束，光斑圆度大于90％，激光器工作时功率稳定性和脉冲能量稳定性大于95％。
5.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述扩束镜倍数根据纳秒脉冲激光器的出口光束直径和聚焦镜头的入瞳直径的比值确定，扩束镜的入瞳直径小于纳秒脉冲激光器的出口光束直径，扩束镜最大承受峰值功率大小大于纳秒脉冲激光的最大峰值功率。
6.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述扩束镜的发散角是可调的。
7.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述反射镜安装与激光束入射方向成45°夹角，用于将经过扩束的激光束反射90°进入聚焦镜头，反射镜可微调反射角。
8.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述聚焦镜头轴线与玻璃工件垂直，聚焦的激光束垂直辐照玻璃工件且聚焦于材料内部。
9.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述聚焦镜头的入瞳大于入射的激光束且大于10mm，聚焦镜头有效焦距范围为60-120mm，经过聚焦的激光束的最小光斑直径小于10微米。
10.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述移动平台带动激光束达到的最大扫描速度为3000mm/s。
使用本发明的有益效果是：
本发明的纳秒激光劈裂玻璃方法，具有设备成本低，工艺操作简单，切割效率高的优点，扩展了玻璃激光切割在追求高效率的应用。
附图说明
图1是本发明纳秒激光劈裂玻璃方法的设备三维示意图。
图2是本发明纳秒激光劈裂玻璃方法中二氧化碳激光束沿着初始损伤轨迹扫描示意图。
图3是本发明纳秒激光劈裂玻璃方法中裂纹扩展完成后玻璃板材分片的示意图。
图4是本发明纳秒激光劈裂玻璃方法中纳秒激光脉冲在玻璃中诱导产生丝状损伤和裂纹扩展的暗场照片。
附图标记为：1-纳秒脉冲激光器，2-扩束镜，3-反射镜，4-聚焦镜头，6-激光束，7-透明玻璃工件，8-二氧化碳激光束。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
如图1显示了本发明实施例的步骤1，纳秒脉冲激光在透明玻璃工件内置入初始损伤的三维示意图，按照本发明的透明玻璃纳秒脉冲激光分片切割工艺的主要设备由纳秒脉冲激光器1、扩束镜2、反射镜3、聚焦镜头4、移动平台组成，纳秒脉冲激光器1发出的激光束6经过扩束镜2扩束和反射镜3反射进入聚焦镜头4，聚焦镜头4将激光束6聚焦于透明玻璃工件7内部。
具体的，纳秒脉冲激光器1的频率为40-60kHz，脉冲宽度为10-20ns，单脉冲能量大于0.6mJ，光斑模式为TEM00高斯光束，光斑圆度大于90％，激光器工作时功率稳定性和脉冲能量稳定性大于95％。
扩束镜2安装于纳秒脉冲激光器1的前端，与激光束6同轴，倍数根据纳秒脉冲激光器1的出口光束直径和聚焦镜头4的入瞳直径的比值确定，扩束镜2的入瞳直径小于纳秒脉冲激光器1的出口光束直径，最大承受峰值功率大小大于纳秒脉冲激光1的最大峰值功率，扩束镜2的发散角是可调的。
反射镜3安装与激光束成45°，目的是将经过扩束的激光束6反射90°进入聚焦镜头4，反射镜4可微调反射角。聚焦镜头4轴线与玻璃工件7垂直，聚焦的激光束6垂直辐照玻璃工件7且聚焦于材料内部，聚焦镜头4的入瞳大于入射的激光束6且大于10mm，其有效焦距范围为60-120mm，经过聚焦的激光束6的最小光斑直径小于10微米。
聚焦的激光束6辐照透明玻璃工件7并在其内部产生不可逆的裂纹损伤与残余应力，经过如上所述的纳秒脉冲激光器1及其他器件，每个脉冲均会产生一个单个的细长的不可逆初始损伤，在小于移动平台5的带动下沿着扫描轨迹即可形成初始损伤面，最大扫描速度可以达到3000mm/s。
如图2显示了本发明实施例的步骤2，二氧化碳激光加热诱导初始损伤扩展，按照本发明实施例步骤1通过聚焦的纳秒激光束6在透明玻璃工件7中形成初始损伤面，二氧化碳激光束8沿着步骤1的扫描轨迹再次扫描，通过加热诱导初始损伤面的裂纹在残余应力作用下扩展。二氧化碳激光束8为连续激光，功率大于100W，光束经过聚焦，扫描时负离焦量0.1-0.3mm，扫描速度1000-3000mm/s。随着二氧化碳激光束8的扫描，初始损伤面中不连续的单个损伤逐渐扩展相连，形成宏观的缝隙。
如图3所述，初始损伤扩展完成分片，按照本发明实施例步骤2初始损伤面在二氧化碳激光束8扫描的热诱导下扩展形成宏观缝隙，待二氧化碳激光束8完成扫描后，宏观缝隙扩展完成，透明玻璃工件7沿着宏观缝隙裂开完成分片切割。至此，透明玻璃的纳秒脉冲激光分片切割工艺实施例完成。
如图4所述，根据本发明所实施的纳秒激光脉冲在透明玻璃中快速扫描形成的损伤暗场图像，每个脉冲形成一根沿着光束传播方向的细丝，多个脉冲损伤平行排列，激光脉冲诱导产生的应力会导致细丝状损伤周围出现横向扩展的裂纹，形成劈裂。二氧化碳激光束诱导裂纹进一步扩展即可形成宏观断裂，扫描完成后实现玻璃的分片切割。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1，形成初始损伤面：聚焦激光束在透明玻璃工件，通过激光束在透明玻璃工件内部产生不可逆的裂纹损伤与残余应力，激光束的每个脉冲均会产生一个单个的细长的不可逆初始损伤，在控制激光束沿着扫描轨迹，在透明玻璃工件形成初始损伤面；
步骤2、诱导初始损伤扩展：使用二氧化碳激光束沿着步骤1中的扫描轨迹再次扫描，通过加热诱导初始损伤面的裂纹在残余应力作用下扩展，初始损伤面中不连续的单个损伤逐渐扩展相连，形成宏观的缝隙，透明玻璃工件沿着宏观缝隙裂开完成分片切割。
2.根据权利要求1所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述二氧化碳激光束为连续激光，功率大于100W，光束经过聚焦扫描时负离焦量0.1-0.3mm，扫描速度1000-3000mm/s。
3.根据权利要求1所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述纳秒激光劈裂玻璃方法使用的设备包括秒脉冲激光器、扩束镜、反射镜、聚焦镜头和移动平台；
秒脉冲激光器，用于发射激光束；
扩束镜，设置在秒脉冲激光器激光束发射端的前方并与激光束同轴，用于对激光束扩束，
反射镜，设置在扩束镜的前方，用于对激光束反射并使得激光束进入聚焦镜头；
聚焦镜头，设置在经过反射镜反射激光束的路径上，用于将激光束聚焦于透明玻璃工件内部；
移动平台，承载透明玻璃工件，用于使透明玻璃工件所在的水平面内移动。
4.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述纳秒脉冲激光器的频率为40-60kHz，脉冲宽度为10-20ns，单脉冲能量大于0.6mJ，光斑模式为TEM00高斯光束，光斑圆度大于90％，激光器工作时功率稳定性和脉冲能量稳定性大于95％。
5.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述扩束镜倍数根据纳秒脉冲激光器的出口光束直径和聚焦镜头的入瞳直径的比值确定，扩束镜的入瞳直径小于纳秒脉冲激光器的出口光束直径，扩束镜最大承受峰值功率大小大于纳秒脉冲激光的最大峰值功率。
6.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述扩束镜的发散角是可调的。
7.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述反射镜安装与激光束入射方向成45°夹角，用于将经过扩束的激光束反射90°进入聚焦镜头，反射镜可微调反射角。
8.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述聚焦镜头轴线与玻璃工件垂直，聚焦的激光束垂直辐照玻璃工件且聚焦于材料内部。
9.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述聚焦镜头的入瞳大于入射的激光束且大于10mm，聚焦镜头有效焦距范围为60-120mm，经过聚焦的激光束的最小光斑直径小于10微米。
10.根据权利要求3所述的纳秒激光劈裂玻璃方法，其特征在于：所述移动平台带动激光束达到的最大扫描速度为3000mm/s。
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