[发明专利]脆性材料脉冲激光切割方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光切割方法，特别是一种依据线偏振激光辐照脆性材料过程中引发的热应力完成板形脆性材料断裂切割的方法。

背景技术

现有关于脆性材料的激光切割技术，大多采用连续激光沿直线在脆性板形材料表面进行扫描，利用激光束经透镜聚焦后产生的高密度能量，使材料在短时间内熔化甚至气化，然后用辅助吹气将熔渣吹除，进而通过移动激光束形成连续的烧蚀区域完成切缝。这类激光切割方法多使用圆偏振激光来形成连续的烧蚀区域将材料熔断，过程中所需激光能量大且存在切割速度慢、切割面粗糙、浪费材料等缺点。《Applied Physics A》1999年68期中报道了由S.Nolte等发表的题为“Polarization effects in ultrashort-pulse laser drilling”的文章，其中对材料在线偏振激光作用下形成了狭长椭圆形烧蚀孔的机理进行了分析，认为是由于线偏振激光的极化方向对激光能量在材料表面的能量沉积状况产生的影响，在线偏振激光的辐照下，材料表面沿极化方向产生狭长型烧蚀区域。《Journal Of Applied Physics》2002年92卷3期中报道了由K.Venkatakrishnan等发表的题为“The effect of polarization on ultrashort pulsed laser ablation of thin metal films”的文章，文中对脉冲式线偏振激光沿金属材料表面扫描的情况进行了分析。当激光能量密度略高于材料熔融阈值时，线偏振激光辐照下可以观察到明显的狭长形烧蚀区域，而当激光能量密度远高于材料熔融阈值时，烧蚀区域仍为圆形。相比于圆偏振激光的扫描过程圆形烧蚀区域，线偏振光扫描过程中激光的极化方向和扫描方向保持一致时情况下，狭长形烧蚀区域容易发生交叠，因而易沿激光扫描方向形成切缝，从而完成对材料的切割。但上述文章只是针对金属材料进行了分析，线偏振激光扫描情况下完成对金属材料的切割仍需要高能激光在材料表面形成连续性的烧蚀区域。

发明内容

本发明的目的是提供一种在切割过程中所需激光能量小，切割速度快、切割面光滑且能有效节省材料的脆性材料脉冲激光切割方法。

本发明目的是通过以下技术方案实现的，脆性材料脉冲激光切割方法，它是在由脉冲激光器、电动平移台、光学组件以及电子计算机构成的脉冲激光切割系统中完成，其具体实现步骤如下：

步骤1：将待切割脆性板材固定在脉冲激光切割系统中的电动平移台上面；

步骤2：启动脉冲激光切割系统，通过计算机控制调整激光的脉宽、频率、单脉冲输出能量，并使系统激光器发出的线偏振激光束经光学组件中的反射镜和聚焦透镜后辐照在脆性板材的表面被切割一端的边缘；

步骤3：在激光器工作的同时启动电动平移台，由计算机控制使脆性板材在脉冲激光辐照即切割过程中，随电动平移台以固定速度进行一维平移，且切割过程中偏振方向与激光扫描方向保持一致；

步骤4：扫描过程中，由计算机控制调整电动平移台的平移速度和激光频率，使激光在脆性板材上形成沿扫描方向间隔式分布且不发生交叠的狭长型烧蚀区域；

步骤5：利用狭长型烧蚀区域两端产生的拉向热应力，脆性材料会沿激光扫描方向发生自动断裂，将相邻的烧蚀区域连接，从而完成对脆性板材的切割。

上述步骤2中系统输出激光的脉宽、单脉冲能量可调，激光器的单脉冲能量在0.5J～80J范围内可调，激光频率0～100Hz可调；上述步骤4中相邻两狭长型烧蚀区域间的距离D可以通过表达式D＝v/f得到，其中：v为电动平移台移动速度，f为激光频率。

本发明所述方法，它是利用了线偏振激光可在材料表面形成狭长型烧蚀区域以及脆性材料易断裂的特性来对脆性板形材料进行切割，利用线偏振激光在脆性板型材料表面进行扫描，在材料表面沿扫描方向间隔式分布不需要相互交叠的狭长型烧蚀区域，进而利用狭长型烧蚀区域两端的应力，引发材料的断裂将相邻的烧蚀区域连接在一起，最终使脆性材料沿激光扫描方向发生断裂完成切割。