[发明专利]一种纳秒激光切割玻璃的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工技术，特别是涉及一种纳秒激光切割玻璃的方法及装置。

背景技术

超薄玻璃因其特有的防护性能、光学性能及视觉效果等优点，越来越多地被用来替代聚碳酸酯（PC）和亚克力（PMMA）片材作为触摸屏手机、平板电脑视窗防护屏的材料。但由于天生的脆裂性，超薄玻璃对裂纹缺陷非常敏感，在钻孔、外形加工方面难度很高。

为了将大块超薄玻璃切割成视窗防护屏所需要的形状，目前常规加工方法的主要步骤是：（1）开料：将大块玻璃切割成比最终成品尺寸略大的毛坯，主要工作原理是采用金刚石砂轮片或硬质合金轮在玻璃表面划线，再由机械应力的方式将玻璃分断，制得毛坯玻璃；（2）数控机床（computer numerical control，缩略词为CNC）精雕加工：通过CNC加工使毛坯玻璃在长宽、倒角、槽、孔等方面达到最终成品尺寸要求，具体方法是通过CNC精雕机砂轮槽（表面覆有金刚砂涂层）对开料后的毛坯玻璃进行磨边处理，磨削掉余量，并通过砂轮槽对毛坯进行倒角处理；通过表面覆有金刚砂涂层的钻头进行开孔、开槽并磨边，最终达到成品要求的结果。以上加工方法不可避免的会在玻璃表面产生碎屑，需要用水不停地冲洗，微小碎粒屑还可能造成对玻璃表面质量的损伤，需要增加研磨、抛光、清洗过程；另外由于是接触式机械加工，容易使玻璃内部产生应力和微裂纹，降低玻璃的机械应力强度，有较高的断裂危险性，从而降低成品率；加工图形的尺寸受精雕机刀具尺寸限制，目前可以加工最小孔径仅为0.8mm的孔槽；该工艺涉及多种加工设备、步骤多，精雕时还需要定制夹具，加工周期长，生产效率低。

随着手机、平板电脑不断向薄型化方向发展，用在平板电脑中的视窗防护屏玻璃厚度已从原来的1.1mm减薄到了0.6或0.7mm，手机用的玻璃厚度变得更薄，已下降到0.3mm或更小，采用上述机械方法切割视窗防护屏，难度越来越大，高度影响切割工艺的品质及良率。

为了替代机械方式，中国专利CN1304312C公开了一种触摸板的玻璃、该触摸板和具有该触摸板的便携终端，提出了激光照射和强制冷却的切割方法，该方法利用玻璃材料强吸收的CO₂激光对玻璃表面进行局部加热产生热应力，在外部吹气或喷水强制冷却下，使玻璃表面产生较大的拉应力，如果该应力超过玻璃材料的破裂强度，裂纹就扩展进而达到断裂，从而实现玻璃切割。当利用冷却体进行急速冷却时温度差异过大，容易损伤玻璃材料，产生不希望的裂纹。该工艺另一个关键是控制裂纹扩展方向，如果裂纹得不到很好的控制，就会严重影响到切割质量，甚至使切割失败。目前采用的方法就是切割前在玻璃的表面进行划线，使玻璃沿着划线的方向产生断裂，但这无疑又增加了工艺的复杂性、降低了生产效率。

为了解决这种问题，中国专利申请CN101391860A公开了一种利用超短脉冲激光束的基板切割装置及其切割方法，利用飞秒或皮秒的超短脉冲激光，使其激光束聚焦于切割的玻璃基板内部，沿着设定的切割路径进行照射，引导玻璃内部出现成丝现象，在玻璃内部形成切割槽，从而以简单的工艺无裂纹及无损伤地实现玻璃的精确切割；该方法无需冷却体，但所采用的激光器价格昂贵，加工成本高，难以实现大批量生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种纳秒激光切割玻璃的方法及装置，其成本低，切割的准确度高，适合工业化应用。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种纳秒激光切割玻璃的方法，包括如下步骤： 

聚焦步骤：将由纳秒激光器发出的激光束通过聚焦镜，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃样品的上表面入射，使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的下表面；

切割步骤：按预先设定的扫描路径，使激光束与所述玻璃样品发生相对移动，在玻璃样品下表面形成一个破裂带，同时在激光照射区的玻璃样品上表面吹压缩气体冷却，加速破裂带向玻璃样品的上表面扩展，直至玻璃分裂成所需的图形。

由于激光束在到达玻璃样品表面前通过聚焦镜聚焦，使焦点位于玻璃样品的下表面，玻璃样品对激光能量的吸收是体吸收形式，激光束穿透玻璃样品，激光束焦点处的能量密度超过玻璃的破坏阈值，在玻璃下表面微小区域获得高的能量密度，形成微小烧蚀点后经过冷却使破裂带上升，避免了激光与玻璃样品作用产生的等离子体对加工过程的影响，保持玻璃表面整洁无污染，且在整个切割过程中焦点始终位于玻璃样品的下表面，使得玻璃的开裂均匀通透，可得到更好的切割质量。