[发明专利]一种激光切割系统及方法

说明书

本发明公开了一种激光切割系统及方法，该激光切割系统包括沿光路依次排列的：激光器，提供切割所需的脉冲激光；光束整形模块，将脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束，改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束；待切割透明材料，以及用于承载带切割透明材料的运动台。通过光束整形模块将脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束，可适应化学强化玻璃和淬火玻璃等可以自裂的透明材料以及需要烧蚀划线的普通玻璃的切割加工，提高了能量利用率及工艺适应性；改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束，能量大小不变，避免了中心光束通过非理想轴棱镜顶点后，造成的贝塞尔光束能量分布振荡的情况。

技术领域

本发明涉及透明材料激光加工领域，尤其涉及一种激光切割系统及方法。

背景技术

目前，最为推崇的透明材料激光切割方法是采用光束整形元件或模块(如轴棱镜或衍射元件或非轴对称透镜等)拉伸延长光束的焦深，使得整形后的焦深是激光高斯光束聚焦后瑞利距离的数十倍甚至上百倍，再结合超快激光器短脉宽的特点，实现改性切割。

超快激光器通常是指脉宽小于10ps的脉冲激光器，单个脉冲持续时间极短，相应具有较高的峰值功率，并且在不同的能量密度下，可以根据不同的机理对材料结构带来改变。当处于改性阈值范围内，可以在材料内部通过多光子吸收效应，造成材料折射率及结构的永久性改变，也即改性切割的机理；当处于烧蚀阈值范围内，脉冲激光使得表层材料不断电离，待积聚到一定数量时以库伦爆炸的形式直接带走材料，即烧蚀切割机理。

对于化学强化玻璃或淬火玻璃，可以将整形后的长焦深光束直接聚焦到材料内部，进行改性切割，表面不产生划痕，静置片刻后，化学强化玻璃或淬火玻璃会沿切割轨迹自行裂开。而对于普通玻璃而言，如果只进行内部的改性切割，则其不能自行裂开，后续需要外加裂片流程，或者通过烧蚀切割在玻璃表面划槽方可。

光束整形方法中，通过轴棱镜1’生成的长焦深光束称为贝塞尔光束，贝塞尔光束具有中心光斑能量高，旁瓣能量低的特点，如图1所示。激光切割时，主要利用中心光斑与材料间的相互作用，并且理论上在光束传输方向上，沿径向的中心光斑直径不发生改变。因此，贝塞尔光束的能量分布均匀性优于其他方法生成的长焦深光束，成为激光改性切割的一种优选整形方案。

图2所示为现有技术中激光加工系统原理图，该专利在轴棱镜后加入了L1、L2、L3和L4具有缩放功能的光学镜组，对轴棱镜后产生的贝塞尔光束进行缩放；在光学镜组间加入了不透明的空间滤波模块B，对产生的贝塞尔光束震荡进行滤波平滑。

光路系统中之所以加入空间滤波模块，是因为理想轴棱镜和实际轴棱镜产生的贝塞尔光束存在差异。如图3a、3b所示，理想轴棱镜是指轴棱镜顶端为完全尖顶，该理想情况下，生成的贝塞尔光束在传输方向上为平滑的类高斯分布；而实际情况下，轴棱镜顶端不可能为完全尖顶，而是带一定弧度的圆顶，由此产生的贝塞尔光束不再是平滑分布，而是在光轴的垂向上发生振荡，而图3a、3b中的B模块正是为了消除这种影响被添加入光学系统中。

分析圆顶情况下产生的振荡贝塞尔光束分布，要从贝塞尔光束形成的原理着手，如图4a、4b所示。利用轴棱镜生成贝塞尔光束实际是基于平面波的干涉，透过轴棱镜的光束发生折射，并且与光轴形成的夹角都为相同的σ，假设发生干涉的光场为E₁和E₂，得到的干涉光强为I。而实际情况下，除了光场E₁和E₂，发生干涉的还有E₃，得到的干涉光强为I_roundTip。模型中假设的圆顶出射光束只有光轴位置的透射光，而实际情况要更为复杂，除了沿光轴传输的光束，还有沿各个方向不同位相的折射光，类似于球面波。