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CN114535788A - 一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统及切孔方法 - Google Patents

一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统及切孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于本发明属于激光加工领域，一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，包括激光器、以及在激光束传播路径上依次设置的准直扩束镜、反射镜、2D数字振镜、聚焦场镜和动态调焦装置，其中激光器，用于发射激光脉冲；准直扩束镜，用于调整激光束直径和光束准直；反射镜，用于将激光器发射的激光束导入数字振镜；2D数字振镜及控制板卡，用于控制激光束在xy平面内的高精度高速度扫描；聚焦场镜，用于一定幅面内激光束的高质量聚焦与垂直入射；动态调焦装置，用于聚焦平面在玻璃厚度方向上的精准定位与移动。本系统可解决玻璃切孔质量差、切割效率低、以及6‑15mm大厚度玻璃激光切割困难的问题。本发明还提出一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法。

Description

一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统及切孔方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，特别是一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统及切孔方法。
背景技术
玻璃材料具有优良的物理、化学和光学性能，在光伏、建筑、汽车、医疗卫生、消费电子等行业应用广泛。为满足玻璃产品的安装或结构设计，需对玻璃进行切孔加工，目前应用广泛的玻璃切孔方法主要有接触式和非接触式两种，接触式主要是机械切孔等传统方式，非接触式主要是激光切孔。
在中国实用新型专利说明书CN201920240201.7中公开了一种玻璃切孔机机械龙门结构、玻璃切孔机，这种切孔方式采用的是较为传统的机械钻切孔方案，采用的方式为上下双钻头进行加工，加工过程需将玻璃放置于上下钻头之间，通过上压料机构将玻璃压紧，再进行钻孔操作，钻孔的过程中需持续喷水从而带走加工碎屑，其中钻头部分为龙门结构。机械钻孔存在许多缺点，因钻头需接触玻璃，而玻璃为脆性材料，接触式易产生内应力和较大的脆性崩边，导致加工精度产生巨大偏差，影响产品的质量，再加上钻头的长久磨损，会严重影响切孔的效果。
激光切孔相较于传统的机械切孔具有切孔形状丰富、无刀具损耗、加工质量高和较大的孔径比等优点。在中国实用新型专利说明书CN202020411113.1中公开了一种布纹玻璃纳秒激光切孔装置，可用于2.5mm以下的玻璃加工，该方式采用2.5D动态聚焦振镜逐层扫描完成切缝的生成，每扫描一层均需要移动一次动态聚焦平面，数十次至数百次的动态聚焦将会严重降低切孔效率，如图1所示。另外，纳秒激光配合2.5D动态聚焦振镜存在Z轴线性范围有限与动态聚焦深度严重依赖场镜焦距的问题，因此无法适应各种厚度尤其是超过8mm厚度玻璃的切孔。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，解决玻璃切孔质量差、切割效率低、以及6-15mm大厚度玻璃激光切割困难的问题。本发明还提出一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，包括激光器、以及在激光束传播路径上依次设置的准直扩束镜、反射镜、2D数字振镜及控制板卡、聚焦场镜和动态调焦装置，其中
激光器，用于发射激光脉冲，激光脉冲宽度小于10ns；
准直扩束镜，用于调整激光束直径和光束准直；
反射镜，用于将激光器发射的激光束导入数字振镜；
2D数字振镜及控制板卡，用于控制激光束在xy平面内的高精度高速度扫描；
聚焦场镜，用于一定幅面内激光束的高质量聚焦与垂直入射；
动态调焦装置，用于聚焦平面在玻璃厚度方向上的精准定位与移动。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述激光器发出激光束的波长为1064nm，脉冲宽度小于12ns，最大平均功率重复频率大于100kHz，激光器的功率不小于70w。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述聚焦场镜入射光束不小于10mm，聚焦场镜有效焦距不小于80mm，中心聚焦光斑极限直径不大于20μm。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述激光器发射的激光束经过扩束后直径与聚焦场镜入瞳匹配，激光器出口光束直径乘以准直扩束镜倍数为聚焦场镜入瞳直径，误差范围小于0.5mm。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述2D数字振镜及控制板卡中，数字振镜光束直径入瞳大于聚焦场镜入瞳直径2-3mm。
在第二个技术方案中，一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法，使用如第一个技术方案中所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，激光器发出的激光束经过准直扩束镜准直扩束和反射镜导入2D数字振镜，在控制板卡和软件的控制下按照预定的轨迹重复扫描，扫描激光束通过场镜聚焦于玻璃工件且扫描过程中聚焦平面保持静态，聚焦激光束扫描过程中将玻璃材料蚀除并产生切缝，切缝贯穿后形成切孔。
在第二个技术方案中，作为优选的，使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统加工厚度小于2mm玻璃时，聚焦场镜的焦平面起始点位设置于玻璃工件的底部靠近下表面位置，切割过程中聚焦场镜与聚焦平面不移动，仅通过扫描聚焦激光束在玻璃底部产生的损伤提高激光吸收效率并使吸收前沿不断向上表面移动，通过单次静态聚焦完成切孔。
在第二个技术方案中，作为优选的，使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统加工厚度大于2mm玻璃时，聚焦平面起始点设置于玻璃工件底部靠近下表面，首先静态聚焦加工深度超过2mm切缝，然后通过动态调焦装置将聚焦平面向上表面移动2mm再次进行静态聚焦切割，重复上述过程若干次，直至切缝贯穿剥离，即完成玻璃的切孔。
在第二个技术方案中，作为优选的，在静态聚焦加工深度确定后，通过填充扫描实现宽度方向的展宽，切缝宽度为0.24-0.4mm；填充方式为平面等距螺旋线或同心圆，路径间距为0.03-0.06mm。
在第二个技术方案中，作为优选的，重复扫描过程的参数范围为：激光器频率：100-200kHz，扫描速度3000-5000mm/s。
使用本发明的有益效果是：
本发明提出的这种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统与方法，通过采用2D数字振镜与聚焦平面、聚焦场镜的互相配合，适用于厚度0-15mm玻璃的加工。具体的，针对2mm以下玻璃，采用聚焦场镜和聚焦平面不移动的方式，仅需单次静态聚焦，重复40-45次扫描即可完成，相较于传统的65-90次，切孔效率高、成孔率大；针对2-15mm玻璃，通过数字振镜和聚焦场镜、聚焦平面相互移动配合，仅需2-7次静态聚焦即可完成切孔，切孔质量好，效率高，能有效解决6-15mm大厚度玻璃激光切孔困难的问题。
附图说明
图1为现有技术方案2.5D振镜激光切割示意图。
图2为本发明一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统使用时，损伤向上表面移动贯穿示意图。
图3为本发明一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统静态聚焦切割2mm以下玻璃示意图。
图4为本发明一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统静态聚焦切割2-15mm玻璃实际图。
图5为本发明一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统本发明静态聚焦扫描填充轨迹示意图。
图6为本发明一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统的示意图。
附图标记包括：
10-激光器，20-准直扩束镜，30-反射镜，40-2D数字振镜及控制板卡，
50-聚焦场镜，60-动态调焦装置。
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。
实施例1
如图2-图6所示，本实施例提出一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，包括激光器10、以及在激光束传播路径上依次设置的准直扩束镜20、反射镜30、2D数字振镜及控制板卡40、聚焦场镜50和动态调焦装置60，其中激光器10，用于发射激光脉冲，激光脉冲宽度小于10ns；准直扩束镜20，用于调整激光束直径和光束准直；反射镜30，用于将激光器10发射的激光束导入数字振镜；2D数字振镜及控制板卡40，用于控制激光束在xy平面内的高精度高速度扫描；聚焦场镜50，用于一定幅面内激光束的高质量聚焦与垂直入射；动态调焦装置60，用于聚焦平面在玻璃厚度方向上的精准定位与移动。
作为优选的，激光器10发出激光束的波长为1064nm，脉冲宽度小于12ns，最大平均功率重复频率大于100kHz，激光器10的功率不小于70w。
聚焦场镜50入射光束不小于10mm，聚焦场镜50有效焦距不小于80mm，中心聚焦光斑极限直径不大于20μm。
激光器10发射的激光束经过扩束后直径与聚焦场镜50入瞳匹配，激光器10出口光束直径乘以准直扩束镜20倍数为聚焦场镜50入瞳直径，误差范围小于0.5mm。
2D数字振镜及控制板卡40中，数字振镜光束直径入瞳大于聚焦场镜50入瞳直径2-3mm。
实施例2
本实施例提出一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法，使用实施例1中的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，激光器10发出的激光束经过准直扩束镜20准直扩束和反射镜30导入2D数字振镜及控制板卡40中的2D数字振镜，在控制板卡和软件的控制下按照预定的轨迹重复扫描，扫描激光束通过聚焦场镜50聚焦于玻璃工件且扫描过程中聚焦平面保持静态，聚焦激光束扫描过程中将玻璃材料蚀除并产生切缝，切缝贯穿后形成切孔。
如图2、图3所示，使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统加工厚度小于2mm玻璃时，聚焦场镜50的焦平面起始点位设置于玻璃工件的底部靠近下表面位置，切割过程中聚焦场镜50与聚焦平面不移动，仅通过扫描聚焦激光束在玻璃底部产生的损伤提高激光吸收效率并使吸收前沿不断向上表面移动，通过单次静态聚焦完成切孔。
如图4所示，使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统加工厚度大于2mm玻璃时，聚焦平面起始点设置于玻璃工件底部靠近下表面，首先静态聚焦加工深度超过2mm切缝，然后通过动态调焦装置60将聚焦平面向上表面移动2mm再次进行静态聚焦切割，重复上述过程若干次，直至切缝贯穿剥离，即完成玻璃的切孔。
如图5所示，在静态聚焦加工深度确定后，通过填充扫描实现宽度方向的展宽，切缝宽度为0.24-0.4mm；填充方式为平面等距螺旋线或同心圆，路径间距为0.03-0.06mm。
重复扫描过程的参数范围为：激光器10频率：100-200kHz，扫描速度3000-5000mm/s。
以下通过实施例1和实施例2的结构，分别详细介绍静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法在加工2mm以下厚度的玻璃，以及加工2mm以上厚度的玻璃的具体步骤。
实施例3
使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法在加工2mm以下厚度的玻璃时，其具体步骤如下：
首先，将厚度2mm以下玻璃固定于加工平台上，激光器10启动发射激光束。
然后，激光光束首先经准直扩束镜20调整光束直径和准直，再通过高功率的反射镜30将光束导入至2D数字振镜及控制板卡40中的2D数字振镜，同时控制板卡控制光束在xy平面内按预定轨迹进行重复扫描；本实施例中，扫描参数包括激光器10频率为100-200kHz，扫描速度3000-5000mm/s。
最后，聚焦场镜50将射出的激光光束进行高质量聚焦和垂直入射于玻璃工件上，动态调焦装置60可实现聚焦平面在玻璃厚度方向上的精准定位和移动，切割过程中保持聚焦场镜50与聚焦平面不移动，以实现对2mm以下玻璃的切孔；本实施例中，聚焦场镜50的焦平面起始点位设置于玻璃工件的底部靠近下表面位置，通过扫描聚焦激光束在玻璃底部产生的损伤提高激光吸收效率并使吸收前沿不断向上表面移动；切孔切缝通过填充扫描方式实现宽度方向的展宽，不同厚度玻璃切缝宽度为0.24-0.4mm，玻璃越厚切缝越宽，方便切屑排除；填充扫描方式为平面等距螺旋线或同心圆，间距为0.03-0.06mm。
本实施例中的方法通过对光束的直径、准直、反射角度、聚焦和调焦进行调整，实现激光光束的高效率反射、高质量聚焦扫描和聚焦平面精准控制，其中静态聚焦加工深度超过2mm切缝，外部聚焦条件不变，仅需单次静态聚焦，2mm玻璃直径12mm圆孔单孔切割时间可降低至2.3s，相比于传统2.5D动态聚焦切割同尺度孔需要4-5s，效率高。具体的，上述方法适用于厚度2mm以下玻璃的切孔，切孔速度快，切孔质量好。
实施例3
使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法在加工2mm以下厚度的玻璃时，如图4所示，本实施例与实施例1采用相同的激光光束和加工参数，不同之处在于步骤S1中放置厚度2-15mm玻璃，步骤S3中切割过程聚焦场镜50、聚焦平面和数字振镜需相互配合移动，以实现对2-15mm玻璃切孔。本实施例中，仅需几次静态聚焦即可完成切孔。静态聚焦加工深度超过2mm切缝，完成后通过动态调焦装置60将聚焦平面向上表面移动2mm后，再次进行静态聚焦切孔，重复该过程2-7次直至切缝贯穿即完成2-15mm玻璃的切孔。
本发明提出的这种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统与方法，通过采用2D数字振镜及控制板卡40与聚焦平面、聚焦场镜50的互相配合，适用于厚度0-15mm玻璃的加工。具体的，针对2mm以下玻璃，采用聚焦场镜50和聚焦平面不移动的方式，仅需单次静态聚焦，重复40-45次扫描即可完成，相较于传统的65-90次，切孔效率高、成孔率大；针对2-15mm玻璃，通过2D数字振镜及控制板卡40和聚焦场镜50、聚焦平面相互移动配合，仅需2-7次静态聚焦即可完成切孔，切孔质量好、效率高、能有效解决6-15mm大厚度玻璃激光切孔困难的问题。
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)

1.一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，其特征在于：包括激光器、以及在激光束传播路径上依次设置的准直扩束镜、反射镜、2D数字振镜及控制板卡、聚焦场镜和动态调焦装置，其中
激光器，用于发射激光脉冲，激光脉冲宽度小于10ns；
准直扩束镜，用于调整激光束直径和光束准直；
反射镜，用于将激光器发射的激光束导入数字振镜；
2D数字振镜及控制板卡，用于控制激光束在xy平面内的高精度高速度扫描；
聚焦场镜，用于一定幅面内激光束的高质量聚焦与垂直入射；
动态调焦装置，用于聚焦平面在玻璃厚度方向上的精准定位与移动。
2.根据权利要求1所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，其特征在于：所述激光器发出激光束的波长为1064nm，脉冲宽度小于12ns，最大平均功率重复频率大于100kHz，激光器的功率不小于70w。
3.根据权利要求1所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，其特征在于：所述聚焦场镜入射光束不小于10mm，聚焦场镜有效焦距不小于80mm，中心聚焦光斑极限直径不大于20μm。
4.根据权利要求1所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，其特征在于：所述激光器发射的激光束经过扩束后直径与聚焦场镜入瞳匹配，激光器出口光束直径乘以准直扩束镜倍数为聚焦场镜入瞳直径，误差范围小于0.5mm。
5.根据权利要求1所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，其特征在于：所述2D数字振镜及控制板卡中，数字振镜光束直径入瞳大于聚焦场镜入瞳直径2-3mm。
6.一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法，使用如权利要求1-5任一项所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统，其特征在于：激光器发出的激光束经过准直扩束镜准直扩束和反射镜导入2D数字振镜，在控制板卡和软件的控制下按照预定的轨迹重复扫描，扫描激光束通过场镜聚焦于玻璃工件且扫描过程中聚焦平面保持静态，聚焦激光束扫描过程中将玻璃材料蚀除并产生切缝，切缝贯穿后形成切孔。
7.根据权利要求6所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法，其特征在于：使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统加工厚度小于2mm玻璃时，聚焦场镜的焦平面起始点位设置于玻璃工件的底部靠近下表面位置，切割过程中聚焦场镜与聚焦平面不移动，仅通过扫描聚焦激光束在玻璃底部产生的损伤提高激光吸收效率并使吸收前沿不断向上表面移动，通过单次静态聚焦完成切孔。
8.根据权利要求6所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法，其特征在于：使用静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统加工厚度大于2mm玻璃时，聚焦平面起始点设置于玻璃工件底部靠近下表面，首先静态聚焦加工深度超过2mm切缝，然后通过动态调焦装置将聚焦平面向上表面移动2mm再次进行静态聚焦切割，重复上述过程若干次，直至切缝贯穿剥离，即完成玻璃的切孔。
9.根据权利要求7或8所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法，其特征在于：在静态聚焦加工深度确定后，通过填充扫描实现宽度方向的展宽，切缝宽度为0.24-0.4mm；填充方式为平面等距螺旋线或同心圆，间距为0.03-0.06mm。
10.根据权利要求6所述的静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔方法，其特征在于：重复扫描过程的参数范围为：激光器频率：100-200kHz，扫描速度3000-5000mm/s。
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