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CN103551732A - 激光切割装置及切割方法 - Google Patents

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CN103551732A CN201310562201.6A CN201310562201A CN103551732A CN 103551732 A CN103551732 A CN 103551732A CN 201310562201 A CN201310562201 A CN 201310562201A CN 103551732 A CN103551732 A CN 103551732A
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狄建科
姜尧
张伟
李金泽
蔡仲云
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Abstract

本发明提供一种激光切割装置，包括：激光发射模块；聚焦透镜；多焦点透镜，紧贴所述聚焦透镜设置，所述多焦点透镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射模块与所述聚焦透镜之间，所述激光光束通过所述多焦点透镜和所述聚焦透镜，在所述激光光束传播方向上形成多个具有间距的焦点。通过将超短脉冲激光光束经由多焦点透镜和聚焦透镜调制，在透明材料的内部激光光束传播方向上聚焦形成多个具有间距的焦点，利用多个焦点在透明材料内部烧蚀出细丝，结合移动承载透明材料的工作台，快速形成细丝阵列的分离路径，可以得到无碎裂，高精确度，高产量，异型加工，无繁琐后续步骤的效果。该方法具有操作简单、加工样品精细度高、品质好和加工效率高等特点。

Description

激光切割装置及切割方法
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种激光切割装置及切割方法。
背景技术
硬性玻璃有着更强的耐磨性，在日常的碰撞情况下更不容易碎裂。并且随着目前的显示设备变得更薄，硬性玻璃成为了更灵活、轻质的选择。另外硬性玻璃也更适合OGS（one glass solution一体化触控）方案的应用，提供了单层显示材料结合触摸与显示的功能。那么将硬性玻璃应用于实际加工当中就需要能够切割这些玻璃的技术。
传统的切割方法包括机械作用与二氧化碳激光切割。这些方法只适用于早期硬性玻璃，厚度不能超过20μm，并且不能切割曲线，同时会造成微细裂痕。微细裂痕的产生需要精心的后加工。这就导致了产量低，加工周期长且成本较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光切割装置，其可通过多焦点透镜在透明材料内部形成多个焦点来切割透明材料。
为实现上述发明目的，本发明提供一种激光切割装置，其包括：
激光发射模块；
聚焦透镜； 
多焦点透镜，紧贴所述聚焦透镜设置，所述多焦点透镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射模块与所述聚焦透镜之间，所述激光光束通过所述多焦点透镜和所述聚焦透镜，在所述激光光束传播方向上形成多个具有间距的焦点。
作为本发明的进一步改进，所述多焦点透镜包括上表面和下表面，所述上表面和所述下表面设置为平面，所述多焦点透镜上有若干狭缝，所述狭缝呈圆环设置。
作为本发明的进一步改进，所述若干狭缝呈同心设置。
作为本发明的进一步改进，所述激光切割装置还包括反射镜，所述反射镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射模块和所述多焦点透镜之间。
作为本发明的进一步改进，所述激光切割装置还包括工作台，所述工作台包括：X轴传送单元、Y轴传送单元和基板 ；其中，所述X轴传送单元包括X轴滑轨和控制所述X轴滑轨运动的电机；所述Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制所述Y轴滑轨运动的电机，所述Y轴传送单元安装于所述X轴传送单元的X轴滑轨上，所述基板设置于所述Y轴传送单元的Y轴滑轨上。
作为本发明的进一步改进，所述激光切割装置还包括Z轴传送单元，所述Z轴传送单元包括Z轴滑轨和控制Z轴滑轨运动的电机，所述多焦点透镜和所述聚焦透镜安装在所述Z轴滑轨上。
相应地，本发明提供一种激光切割方法包括以下的步骤：
将激光发射模块发出的激光光束导入多焦点透镜和聚焦透镜；
调整所述多焦点透镜、聚焦透镜以及透明材料的相对位置，以在透明材料内部形成多个在激光光束传播方向上具有间距的焦点。
作为本发明的进一步改进，所述“调整所述多焦点透镜、聚焦透镜以及透明材料的相对位置”具体为：
通过Z轴电机调整安装于Z轴滑轨上的多焦点透镜和聚集透镜的位置。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：
在X方向和Y方向移动承载所述透明材料的工作台，在透明材料内部形成细丝阵列。
作为本发明的进一步改进，所述步骤还包括：以透明材料内部形成的细丝阵列作为分离路径，通过机械力将所述透明材料分离。
本发明的有益效果是：本发明通过将超短脉冲激光光束经由多焦点透镜和聚焦透镜调制，在透明材料的内部激光光束传播方向上聚焦形成多个具有间距的焦点，利用多个焦点在透明材料内部烧蚀出细丝，结合移动承载透明材料的工作台，快速形成细丝阵列的分离路径，可以得到无碎裂，高精确度，高产量，异型加工，无繁琐后续步骤的效果。该方法具有操作简单、加工样品精细度高、品质好和加工效率高等特点。
附图说明
图1是本发明一实施例中激光切割装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例中多焦点透镜的俯视图；
图3是本发明一实施例中激光切割装置的剖视图；
图4是本发明一实施例中激光切割方法步骤流程图。 
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明的技术解决方案为：一种激光切割装置及切割方法。
参图1所示的本发明一具体实施方式，所述切割装置，在激光发射模块10的输出端设置有反射镜20，该反射镜20为平面反射镜，反射镜20的反射输出端设置有多焦点透镜30，紧贴多焦点透镜30的输出端设置有聚焦透镜40，工作台设置在聚焦透镜40的输出端，工作台包含X轴传送单元、Y轴传送单元和基板53，该基板53用于固定透明材料54。
激光发射模块10，产生超短脉冲激光光束，优选地，采用波长为1064nm红外光波段的激光器。激光发射模块10水平放置。
多焦点透镜30，可以是三焦点透镜或五焦点透镜甚至更多焦点的透镜，设置在激光发射模块10和聚焦透镜40之间。如图2所示，多焦点透镜30为圆形镜片，其上表面和下表面都设置为平面，多焦点透镜30的上表面朝向激光光束的入射方向设置，其上表面上有镀膜，镀膜的目的是为了增加激光光束的透过率、防止激光光束在镜面入射时反射掉从而造成能量损失。多焦点透镜30上有若干狭缝31，狭缝31呈圆环设置，这些狭缝31呈同心设置在多焦点透镜30上，狭缝31的线条很细，进入多焦点透镜30的单束光被这些呈同心设置的狭缝31形成了多个圆环形光束，不过每个狭缝31之间的间距很小，多焦点透镜30与聚焦透镜40配合由于衍射干涉原理形成多个焦点。优选地，在本实施例中，采用的是型号为MF-001-I-Y-A的五焦点透镜。
聚焦透镜40，优选地，聚焦透镜40与多焦点透镜30紧贴设置，则容易确定多焦点透镜30与聚焦透镜40配合形成的多个焦点的位置。优选地，聚焦透镜30采用平凸透镜，其凸起的一表面朝向多焦点透镜30设置。参图3所示，聚焦透镜40用于对激光发射模块10产生的超短脉冲激光光束进行聚焦，形成主焦点60。激光发射模块10发出的主激光束通过多焦点透镜30与聚焦透镜40后，将主激光束分成若干不同激光发射角，相同传播方向的激光束，通过衍射干涉的原理将激光束又聚焦形成四个焦点61。该四个焦点61与聚焦透镜40形成的主焦点60在激光光束传播方向形成一条直线，这五个焦点60与61之间存在间距，主焦点60位于另外四个焦点61的中间。
反射镜20，优选地，采用平面反射镜，与水平面呈45度设置在激光发射模块10与多焦点透镜30之间，激光发射模块10一般要水平放置，因此反射镜20用来改变超短脉冲激光光束的传播方向，将超短脉冲激光光束导入多焦点透镜30中。
值得一提的是，切割装置还包括Z轴传送单元（图中未示出），Z轴传送单元包括Z轴滑轨和控制Z轴滑轨运动的电机，多焦点透镜30和聚焦透镜40紧密贴合固定在Z轴滑轨上，控制Z轴滑轨运动的电机用于调节经多焦点透镜30与聚焦透镜40配合形成的五个焦点60和61位于固定在工作台的基板53上的透明材料54内部的激光光束传播方向上的不同深度，五个焦点在激光光束传播方向上成一条直线。
工作台，包括：X轴传送单元、Y轴传送单元和基板53；其中，X轴传送单元包括X轴滑轨51和控制所述X轴滑轨运动的电机（图中未示出）；Y轴传送单元包括Y轴滑轨52和控制Y轴滑轨运动的电机（图中未示出），Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨51上，基板53设置于Y轴传送单元的Y轴滑轨52上，基板53可采用耐高温陶瓷材料制作，基板53上固定透明材料54。
在本实施例中，经过多焦点透镜30和聚焦透镜40配合调制形成多个具有间距的焦点是否都位于透明材料54的内部，需要由检测设备检测，因此被超短脉冲激光切割的透明材料必须是相对于激光透明的材料，才能被检测设备检测到焦点的位置，透明材料优选玻璃和蓝宝石。 
参图1和图3所示，该装置用于激光透明材料切割时，激光发射模块10发出激光光束射向平面反射镜20，经过平面反射镜20的反射，进入多焦点透镜30，紧接着进入聚焦透镜40，激光发射模块10发出的主激光束通过多焦点透镜30与聚焦透镜40后，将主激光束分成若干不同激光发射角，相同传播方向的激光束，激光光束经过聚焦透镜40聚焦形成主焦点60，多焦点透镜30与聚焦透镜40配合，通过衍射干涉的原理将激光光束聚焦又形成四个在激光光束传播方向上具有间距的焦点61，该四个焦点61与聚焦透镜30形成的主焦点60在激光光束传播方向成一条直线，这五个焦点60和61之间存在间距。通过Z轴电机调整安装于Z轴滑轨上的多焦点透镜30和聚集透镜40使五个焦点60和61都位于透明材料54内部的不同深度，五个焦点在透明材料54内部又多次自聚焦，使透明材料54内部产生的若干裂纹形成了一道细丝。由X轴传送单元、Y轴传送单元在X方向和Y方向移动承载透明材料54的工作台，实现工作台在XY方向移动，在透明材料54的横截面上形成细丝阵列。X方向和Y方向相互垂直，Z方向垂直于X轴和Y轴所形成的平面。
参图4所示，一种激光切割方法包括以下几个步骤：
S1、将激光发射模块10发出的激光光束导入多焦点透镜30和聚焦透镜40。激光发射模块10发出超短脉冲激光光束射向平面反射镜20，经过平面反射镜20的反射，进入多焦点透镜30和聚焦透镜40。
S2、调整所述多焦点透镜30、聚焦透镜40以及透明材料54的相对位置，以在透明材料54内部形成多个在激光光束传播方向上具有间距的焦点。在本实施例中，采用的是MF-001-I-Y-A五焦点透镜。激光发射模块10发出的主激光束通过多焦点透镜30与聚焦透镜40后，将主激光束分成若干不同激光发射角，相同传播方向的激光束，激光光束经过聚焦透镜40形成主焦点60，多焦点透镜30与聚焦透镜40配合，通过衍射干涉的原理将激光光束聚焦又形成四个焦点61。该四个焦点61与聚焦透镜30形成的主焦点60在一条直线上，通过Z轴电机调整安装于Z轴滑轨上的多焦点透镜30和聚集透镜40的位置使这五个焦点60和61分别位于透明材料54内部激光光束传播方向上的不同深度，即五个焦点60和61存在间距，主焦点60位于另外四个焦点61的中间。由于超短脉冲激光光束在透明材料中的自聚焦效应，光束聚焦后的发散光线再次会聚，再形成一个新的焦点，并且重复上述过程，直至射穿材料。其每一次会聚，在能量够高的情况下都能在材料内部生成裂纹，所以产生了一道光束方向上的裂纹。由于多焦点透镜30和聚焦透镜40生成的五个焦点在透明材料54中又多次自聚焦，使透明材料54内部产生的若干裂纹形成了一道细丝。
在X方向和Y方向移动承载透明材料54的工作台，在材料内形成细丝阵列。X方向和Y方向相互垂直。参图1所示，X轴传送单元包括X轴滑轨51和控制X轴滑轨运动的电机（图中未标示）； Y轴传送单元包括Y轴滑轨52和控制Y轴滑轨运动的电机（图中未标示），Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨51上，基板设置于Y轴传送单元的Y轴滑轨52上。由X轴电机和Y轴电机控制基板53在XY方向上移动，从而在材料横截面上形成细丝阵列，以该细丝阵列作为分离路径，通过机械力使透明材料分离。该方法具有操作简单、加工样品精细度高、品质好和加工效率高等特点，可以得到无碎裂，高精确度，高产量，异型加工，无繁琐后续步骤的效果。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置包括：
激光发射模块；
聚焦透镜； 
多焦点透镜，紧贴所述聚焦透镜设置，所述多焦点透镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射模块与所述聚焦透镜之间，所述激光光束通过所述多焦点透镜和所述聚焦透镜，在所述激光光束传播方向上形成多个具有间距的焦点。
2.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于，所述多焦点透镜包括上表面和下表面，所述上表面和所述下表面设置为平面，所述多焦点透镜上有若干狭缝，所述狭缝呈圆环设置。
3.根据权利要求2所述的一种激光切割装置，其特征在于，所述若干狭缝呈同心设置。
4.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置还包括反射镜，所述反射镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射模块和所述多焦点透镜之间。
5.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置还包括工作台，所述工作台包括：X轴传送单元、Y轴传送单元和基板 ；其中，所述X轴传送单元包括X轴滑轨和控制所述X轴滑轨运动的电机；所述Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制所述Y轴滑轨运动的电机，所述Y轴传送单元安装于所述X轴传送单元的X轴滑轨上，所述基板设置于所述Y轴传送单元的Y轴滑轨上。
6.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置还还包括Z轴传送单元，所述Z轴传送单元包括Z轴滑轨和控制Z轴滑轨运动的电机，所述多焦点透镜和所述聚焦透镜安装在所述Z轴滑轨上。
7.一种激光切割方法，其特征在于，所述切割方法包括以下的步骤：
将激光发射模块发出的激光光束导入多焦点透镜和聚焦透镜；
调整所述多焦点透镜、聚焦透镜以及透明材料的相对位置，以在透明材料内部形成多个在激光光束传播方向上具有间距的焦点。
8.根据权利要求7所述的激光切割方法，其特征在于，所述“调整所述多焦点透镜、聚焦透镜以及透明材料的相对位置”具体为：
通过Z轴电机调整安装于Z轴滑轨上的多焦点透镜和聚集透镜的位置。
9.根据权利要求7所述的激光切割方法，其特征在于，所述方法还包括：
在X方向和Y方向移动承载所述透明材料的工作台，在透明材料内部形成细丝阵列。
10.根据权利要求9所述的激光切割方法，其特征在于，所述步骤还包括：
以透明材料内部形成的细丝阵列作为分离路径，通过机械力将所述透明材料分离。
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