[发明专利]一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料方法及装置，该方法尤其适用于KDP光学晶体等厚脆性透射材料的分离。

技术背景

激光热裂法是目前切割分离脆性透射材料(如玻璃、光学玻璃、光学晶体等)，获得高质量分离边缘的一种有效方法。该方法是采用激光聚焦镜将激光束聚焦在透明材料的表面或内部，利用脆性透射材料对某波段激光较高的吸收率(如10.6μm波段的激光束)形成表面吸收激光能量，使脆性透射材料表面加热；或利用脆性透射材料对某波段激光较低的吸收率(如1.06μm波段的激光束)形成体吸收激光能量，使脆性透射材料整体加热，从而使脆性材料表面或内部因受热膨胀，产生较大压应力。随着聚焦激光束的移动，被加热处材料在空气的对流和材料内部的传导散热的作用下迅速冷却收缩，形成较大的拉应力。当形成的拉应力超过材料的断裂阈值，脆性透射材料将会沿着激光扫描方向产生扩展裂纹而自动分离或在机械外力作用下分离，实现激光切割分离的目的。

与机械切割方法相比，激光热裂法具有切缝平直、无碎屑、无显微裂纹等优点。但这种激光热裂法最大的缺陷是只有一个激光聚焦点，无论是面吸收还是体吸收形式都会使脆性透射材料沿分离垂直的厚度上对激光能量的吸收极不均匀，从而导致沿厚度方向产生的应力差别较大。随着材料厚度的增加，单焦点激光导致材料沿厚度方向吸收能量的不均匀性越来越严重，其结果是很难控制热应力产生的裂纹走向，极易使裂纹沿脆性材料厚度方向扩展失控，导致材料的整体炸裂。

针对单焦点激光分离脆性透射材料缺陷，出现了多种多焦点激光分离方法，在一定程度上克服了单焦点激光分离的缺陷。但现有多焦点激光分离大多采用反射式聚焦的方法产生多焦点激光(如中国发明专利ZL201210118371.0)，激光在不断反射传播的过程中，激光因发散而使激光能量不断损失，导致产生的激光焦点数量较少，且各个激光焦点的能量分布差别较大，沿厚度方向产生的应力虽有改善，但仍然存在不均匀现象，且随材料厚度增加，不均匀现象越严重，因此激光切割分离材料厚度仍然受到限制。此外，这种反射式聚焦产生多焦点的方法由于设计方法的固有缺陷，使激光多焦点产生的位置和焦点的能量分布都不能按照最理想的设计进行，影响切割分离材料厚度和质量。

发明内容

针对以上单焦点激光和现有多焦点激光分离脆性透射材料所存在的问题，本发明提出了一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料方法及装置，目的在于实现激光对厚脆性透射材料的高质量、高效率、高成功率的分离。

本发明提供的一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料的方法，其特征在于，该方法采用相同的工艺参数，在待分离脆性透射材料的厚度方向两侧，每侧均采用同光轴激光反向对射，并且分别在脆性透射材料内部产生多个激光焦点，两侧同光轴激光反向对射使脆性透射材料内部产生的焦点数量加倍，以改善脆性透射材料沿厚度方向上对激光能量吸收的均匀性，使脆性透射材料沿厚度方向的受热膨胀均匀性增强，激光多焦点光束离开后，沿脆性透射材料厚度方向迅速冷却而产生拉应力，实现激光对厚脆性透射材料的分离。

本发明提供的一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料的装置，其特征在于，该装置包括两套多焦点激光加工系统和一台三维工作平台；其中每套多焦点激光加工系统均包括激光器、导光镜、扩束镜和一组多焦点镜片组，所述激光器、导光镜、扩束镜和多焦点镜片组依次位于同一光路上；

该装置工作时，所述三维工作平台位于两套多焦点镜片组中间，用于安装和使待加工脆性透射材料沿垂直于激光束光轴的方向移动；所述一组多焦点镜片组用于使激光束被折射角度不相同,在光轴上产生焦点的位置也不相等，以形成多个聚焦点；所述两套多焦点激光加工系统输出的激光通过所述多焦点激光束分别位于脆性透射材料厚度两侧同光轴上，并反向相互对射，在脆性透射材料内产生加倍的激光焦点数量，以改善脆性透射材料沿厚度方向上对激光能量吸收的均匀性，使脆性透射材料沿厚度方向的受热膨胀均匀性增强，激光多焦点光束离开后，沿脆性透射材料厚度方向迅速冷却而产生拉应力，实现激光对厚脆性透射材料的分离。

本发明具有以下优点：

1、利用两套多焦点激光加工系统同轴反向对射，使激光在脆性透射材料内，沿厚度光轴方向产生多个焦点，可以大幅度改善激光分离脆性透射材料厚度方向对激光能量吸收不均匀的问题，从而大幅减小脆性透射材料沿厚度方向产生的热应力差别，改善激光分离切割质量，获得平整、陡峭、无崩边的切口端面，增加了材料切割轨迹的方向的可控性，使曲率很大的圆弧也可进行高质量安全切割分离。