CN108788451A - 一种超快激光透明材料的加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明材料的加工方法及装置，提供一波长在1020纳米～1090纳米之间的光纤激光器，将种子激光器输出的激光束采用光纤放大器进行能量放大后，输出激光脉冲串,每一脉冲串里包括至少两个激光脉冲，脉冲宽度小于200ps，脉冲的峰值功率大于100kW，各脉冲串里的每一激光脉冲间的时间小于90ns,脉冲串间的间隔时间大于240ns，每一秒的总脉冲数大于50,000个；其中，激光器输出的超快激光束只采用光纤放大器进行能量放大；将上述激光聚焦到透明材料的待加工位置，通过移动聚焦位置，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的加工。本发明能大大提高材料去除效率，不需要加热或酸侵的后续工序，也不会产生斜角。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明材料加工方法，具体涉及一种用于透明材料的超快激光加工方法。
背景技术
玻璃和蓝宝石透明材料已经成为了人们日常生活中不可缺少的一部分，随着经济的发展，对玻璃制品的需求量与日俱增。在玻璃和蓝宝石的生产工业中，玻璃和蓝宝石加工是一个十分重要环节。
一般来说，玻璃和蓝宝石加工（冷加工）主要包括抛光、切割、钻孔、雕刻、磨边等。为了工业化实现上述玻璃和蓝宝石加工的目的，现有技术中采用的加工方法主要有机械加工方法、化学加工方法（主要用于抛光和刻蚀）、高压水射流加工方法（主要用于切割和钻孔）和激光加工方法。其中，激光加工方法在加工速度和自动化程度方面都要远远优于其它的方法。
通常，对玻璃和蓝宝石进行激光加工采用的是波长在10.6μm附近的CO2激光器，其输出功率一般需要达到100W以上。CO2激光器加工玻璃和蓝宝石是通过激光入射使玻璃受热后发生断裂而实现的。以平板玻璃的切割为例，将CO2激光器发出的激光束聚焦到平板玻璃上，高功率的激光使得玻璃在激光的焦点位置受热发生断裂，裂缝向玻璃的上下表面延伸从而完成切割。在受热切割的过程中，通常需要使用淬火嘴将冷水或冷气喷射到切割道上，使玻璃裂开。这种方法切割精度较低，同时难以加工复杂图形。
使用纳秒脉冲激光可以对玻璃和蓝宝石进行激光加工，达到比CO2激光器更好的加工效果。与传统的CO2激光器不同，这种纳秒激光器是通过微爆破的方式实现玻璃加工的。同样以平板玻璃的切割为例，通过3D扫描振镜可以使激光的焦点在竖直方向上移动，在激光焦点经过的地方，玻璃会发生微米量级的爆破，这种微小损伤在竖直方向上叠加从而实现了精度更高的切割。
然而，上述的这种纳秒激光器在玻璃和蓝宝石加工方面还存在着一些缺陷。纳秒激光加工后的崩边一般大于50微米，然而在不少应用场合，要求崩边小于20微米。
为了达到小于20微米的激光加工水平，可以采用超快激光加工。而超快激光加工一般会在切割位置产生一个斜角。一种办法是采用超快激光成丝切割方法，然而，成丝切割时没有材料的去除，所以一般需要加热或酸侵等后续工序才能使材料分开。加热或酸侵在很多情况下会对材料产生不良影响。而当激光加工的直径小于5毫米时，即使是使用加热或酸侵也很难使材料分开。
所以，找到一种新的超快激光透明材料加工方法从而实现透明材料的快速、低成本加工而且没有斜角是十分有意义的。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种透明材料的加工方法，以克服现有技术中加工受限的问题，提高激光透明材料加工的精度和速度。
本发明的另一个发明目的是提供一种实现该加工方法的透明材料的加工装置。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种超快激光透明材料的加工方法，提供一波长在1020纳米～1090纳米之间的光纤激光器作为种子激光器，将种子激光器输出的激光束采用光纤放大器进行能量放大，输出的激光束形成激光脉冲串，每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于200ps，脉冲的峰值功率大于100kW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的时间小于90ns, 脉冲串间的间隔时间大于240ns，每一秒的总脉冲数大于50000个；其中，激光器输出的超快激光束只采用光纤放大器进行能量放大；
将上述激光脉冲串聚焦到透明材料的待加工位置，通过移动聚焦位置，实现对透明材料的加工；
加工时，将激光束聚焦至待加工透明材料的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的加工。
上述技术方案中，脉冲输出激光是运用波长在1μm附近的光纤激光器。输出的脉冲串, 每一脉冲串里包括至少两个激光脉冲，脉冲宽度小于200ps，脉冲的峰值功率大于100kW, 各脉冲串里的每一激光脉冲间的时间小于90ns, 脉冲串间的间隔时间大于240ns。第一个脉冲作用到材料上使材料发生微米量级(1~20微米) 的去除, 产生材料去除并增加周围材料的温度。 在周围材料的热量被扩散之前，第二脉冲到达并进一步快速增加周围材料的温度，然后产生更多材料去除。第三个脉冲可以利用前面两个脉冲的余热，有效地产生更多材料去除，以此类推，这种脉冲串可以大大提高材料去除效率。热扩散需要微秒的时间水平，但是随后的脉冲通常在十几纳秒左右到达。脉冲串的典型脉冲间隔为十几纳秒，远小于热扩散所需的微秒时间。 因此可以有效地利用来自前一脉冲的余热。脉冲串里的激光脉冲数是2～50个，优选为2～15个。因为激光加工过程是材料的去除， 因此不需要加热或酸侵的后续工序。就是直径0.1毫米的小孔也不需要加热或酸侵的后续工序。因为激光是皮秒激光，所以崩边小于20微米。
优选地，每一秒的总脉冲数大于100000个；其中，光纤激光器输出的激光束只采用光纤放大器进行能量放大；这种以光纤激光器为基础的激光系统比自由空间的固体激光器拥有更高的稳定性，输出激光的光谱范围为1020纳米～1090纳米。加工的透明材料可以是建筑玻璃、基板玻璃、增强玻璃、钢化玻璃、光学玻璃、石英玻璃、超薄玻璃、蓝宝石、晶体材料、半导体和塑料等。透明材料的厚度可以为0.005mm到150mm。
上述技术方案中，所述的移动聚焦位置可以通过扫描振镜实现，输出的激光经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使透明材料发生微米量级的去除，通过扫描振镜移动焦点的位置，使去除点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
具体加工时，激光束聚焦至待加工透明材料的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的加工。这样的超快激光加工没有斜角。
或者，所述的移动聚焦位置通过改变聚焦透镜与待加工的透明材料的相对位置实现，输出的激光经聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使材料发生微米量级的去除，通过移动包括激光器和透镜的光学头，或者移动待加工的透明材料，改变焦点在透明材料上的位置，使去除点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
上述技术方案中，所述加工是钻孔、切割、磨边、倒角中的一种。
本发明的另一应用方法是，将上述激光聚焦到透明材料的待加工位置的下表面，通过移动聚焦位置，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的钻孔，钻孔的直径小于3毫米。
为实现本发明的另一发明目的，采用的技术方案是，一种超快激光透明材料的加工装置，由光纤超快激光器、聚焦透镜和焦点调整机构组成，所述光纤超快激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器构成，所述种子激光器上设有脉冲控制装置，所述脉冲控制装置控制输出的每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于200ps，脉冲的峰值功率大于100kW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的时间小于90ns, 脉冲串间的间隔时间大于240ns，每一秒的总脉冲数大于50000个；种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后输出激光脉冲串；所述激光脉冲串经聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置，并由焦点调整机构按设定轨迹调节聚焦点相对透明材料的位置。
上述技术方案中，所述焦点调整机构包括扫描振镜，所述扫描振镜在光路中位于激光脉冲串激光器的输出和聚焦透镜之间。
所述扫描振镜是二维振镜、2.5维振镜、或者三维振镜中的一种。
或者，所述光纤超快激光器和所述聚焦透镜构成光学头，所述焦点调整机构包括光学头位置调整机构，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，该光学头位置透整机构使光学头具有X轴、Y轴、Z轴平移的自由度。
或者，所述焦点调整机构包括放置待加工的透明材料的平台，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，所述焦点调整机构使所述平台具有X轴、Y轴平移的自由度，所述聚焦透镜和所述平台之间具有沿Z轴相对运动的自由度。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明中，激光输出是脉冲串, 第一个脉冲作用到材料上使材料发生微米量级(1~20微米) 的去除, 产生材料去除并增加周围材料的温度。 在周围材料的热量被扩散之前，第二脉冲到达并进一步快速增加周围材料的温度，然后产生更多材料去除，如果一个脉冲串中有超过两个脉冲，则第三个脉冲可以利用前面两个脉冲的余热，有效地产生更多材料去除，以此类推，这种脉冲串可以大大提高材料去除效率。
2. 本发明中，激光输出的脉冲宽度小于200皮秒，所以加工时可能产生的崩边小于20微米，比纳秒激光的崩边小很多。
3．本发明中，因为激光加工过程是材料的去除，因此不需要加热或酸侵的后续工序，就是直径为0.1毫米的小孔也不需要加热或酸侵的后续工序，比超快激光成丝切割有明显的优势。
4. 激光束聚焦至待加工透明材料的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的加工，这样的超快激光加工没有斜角。一般的超快激光因为峰值功率高，只能由上至下加工，因此会有斜角。
5、本发明中，脉冲串激光器采用光纤激光器产生种子激光，经光纤放大器进行能量放大后进行光学倍频获得，光纤放大器输出后激光不再进行任何形式的能量放大，不再使用自由空间的固体，没有来回振荡，因此激光输出可以非常稳定，由此保证了材料加工的精度，可以用于加工各种复杂图案。
6、本发明的光纤激光脉冲串激光器输出光的每一秒的总脉冲数大于50,000个，在多数情况下每一秒的总脉冲数大于600,000个，从而在保证加工速度。
7、本发明的光纤激光脉冲串超快激光器（特别平均功率大于30瓦的激光器）的价格一般比固体超快激光便宜，所以超快激光加工的成本比较低。
8、当仅采用聚焦透镜而不采用扫描振镜时，由于采用光纤激光器，本发明的装置比较轻便，可以安装在移动设备上。
附图说明
图1是本发明实施例中脉冲串激光器的结构框架示意图；
图2是本发明实施例一的结构示意图；
图3是本发明实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图2所示，一种透明材料的加工装置，由超快脉冲串激光器、扫描振镜、聚焦透镜组成，参见图1，所述超快脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、和准直器件构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后输出激光脉冲串；所述激光脉冲串经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置。
本实施例中，扫描振镜是三维振镜，激光的重复频率是每一秒的总脉冲数600000个，脉冲宽度是180ps，脉冲串里的激光脉冲数是2个，脉冲串里的每一激光脉冲间的时间是12.5ns，光斑直径是20微米。在激光脉冲串的移动过程中激光光斑的重叠率是67%，因此激光在振镜的带动下以1.8米/秒的速度前移。在透明材料上钻孔时，每转一周，产生几微米厚度的切割。通过移动振镜而将切割推进，实现高效率钻孔。
实施例二：参见附图3所示，一种透明材料的加工装置，由超快脉冲串激光器、聚焦透镜组成，参见图1，所述超快脉冲串激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的超快脉冲串种子激光器、多级或单级光纤放大器、和准直器构成，脉冲串种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后输出激光脉冲串；所述激光脉冲串由聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置。
本实施例中，脉冲串激光被透镜聚焦在透明材料上，透镜安装在移动带上，通过移动透镜而实现线状切割，透明材料设置在机械移动平台上，通过机械移动平台实现透明材料相对于聚焦点的位置变化。每一秒的总脉冲数2000000个，脉冲宽度为150ps，脉冲串里的激光脉冲数是5个, 脉冲串里的每一激光脉冲间的时间是12.5ns，光斑直径是20微米，重叠率是55%，激光以每秒3.6米的速度前移, 激光在透明材料表面产生去除。实现透明材料的高速切割。
Claims (15)
1. 一种超快激光透明材料的加工方法，提供一波长在1020纳米～1090纳米之间的光纤激光器作为种子激光器，将种子激光器输出的激光束采用光纤放大器进行能量放大，输出的激光束形成激光脉冲串，其特征在于：每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于200ps，脉冲的峰值功率大于100kW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的时间小于90ns, 脉冲串间的间隔时间大于240ns，每一秒的总脉冲数大于50000个；其中，激光器输出的超快激光束只采用光纤放大器进行能量放大；
将上述激光脉冲串聚焦到透明材料的待加工位置，通过移动聚焦位置，实现对透明材料的加工；
加工时，将激光束聚焦至待加工透明材料的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的加工。
2.根据权利要求1所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述的种子激光器是光纤激光器或光纤耦合的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述的移动聚焦位置通过扫描振镜实现，输出的激光束经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使材料发生微米量级的去除，通过扫描振镜移动焦点的位置，使去除点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
4.根据权利要求1所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述的移动聚焦位置通过改变聚焦透镜与待加工的透明材料的相对位置实现，输出的激光经聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使材料发生微米量级的去除，通过移动包括激光器和透镜的光学头，或者移动待加工的透明材料，改变焦点在透明材料上的位置，使去除点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述透明材料是玻璃、晶体材料、半导体和塑料中的一种。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述加工是钻孔、切割、磨边、倒角中的一种。
7. 一种超快激光透明材料的加工方法，其特征在于：提供一波长在1020纳米～1090纳米之间的光纤激光器作为种子激光器，将种子激光器输出的激光束采用光纤放大器进行能量放大后，输出激光脉冲串，其特征在于：每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于200ps，脉冲的峰值功率大于100kW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的时间小于90ns, 脉冲串间的间隔时间大于240ns，每一秒的总脉冲数大于50000个；其中，激光器输出的超快激光束只采用光纤放大器进行能量放大；
将上述激光聚焦到透明材料的待加工位置的下表面，通过移动聚焦位置，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的钻孔，钻孔的直径小于3毫米。
8.根据权利要求7所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述的移动聚焦位置通过扫描振镜实现，输出的激光经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使材料发生微米量级的去除，通过扫描振镜移动焦点的位置，使去除点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
9.根据权利要求7所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述的移动聚焦位置通过改变聚焦透镜与待加工的透明材料的相对位置实现，输出的激光经聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使材料发生微米量级的去除，通过移动包括激光器和透镜的光学头，或者移动待加工的透明材料，改变焦点在透明材料上的位置，使去除点在所需加工的区域叠加从而实现加工。
10.根据权利要求7至9中任一权利要求所述的透明材料的加工方法，其特征在于：所述透明材料是玻璃、晶体材料、半导体和塑料中的一种。
11. 一种超快激光透明材料的加工装置，由光纤超快激光器、聚焦透镜和焦点调整机构组成，其特征在于：所述光纤超快激光器主要由输出波长在1020纳米～1090纳米之间的种子激光器、多级或单级光纤放大器、准直器构成，所述种子激光器上设有脉冲控制装置，所述脉冲控制装置控制输出的每一激光脉冲串里包括至少两个激光脉冲，每一所述激光脉冲的脉冲宽度小于200ps，脉冲的峰值功率大于100kW，脉冲串内的相邻激光脉冲间的时间小于90ns, 脉冲串间的间隔时间大于240ns，每一秒的总脉冲数大于50000个；种子激光器的输出光经光纤放大器放大后，由准直器准直后输出激光脉冲串；所述激光脉冲串经聚焦透镜聚焦在透明材料的待加工位置，并由焦点调整机构按设定轨迹调节聚焦点相对透明材料的位置。
12.根据权利要求11所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述焦点调整机构包括扫描振镜，所述扫描振镜在光路中位于激光脉冲串激光器的输出和聚焦透镜之间。
13.根据权利要求12所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述扫描振镜是二维振镜、2.5维振镜、或者三维振镜中的一种。
14.根据权利要求11所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述光纤超快激光器和所述聚焦透镜构成光学头，所述焦点调整机构包括光学头位置调整机构，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，该光学头位置透整机构使光学头具有X轴、Y轴、Z轴平移的自由度。
15.根据权利要求11所述的透明材料的加工装置，其特征在于：所述焦点调整机构包括放置待加工的透明材料的平台，以待加工的透明材料所在平面为X-Y平面，Z轴垂直于X-Y平面，所述焦点调整机构使所述平台具有X轴、Y轴平移的自由度，所述聚焦透镜和所述平台之间具有沿Z轴相对运动的自由度。
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