[发明专利]利用非球面聚焦设备和扩束器切割脆性材料的激光设备

说明书

用于切割脆性材料的设备包括扩束器(18)，与非球面聚焦透镜(22)、孔径(CA)和产生脉冲激光辐射束(14)的激光源(12)相结合。非球面透镜(22)和孔径(CA)将脉冲激光辐射束形成为沿着非球面聚焦透镜(22)的光轴具有均匀强度分布的细长焦点。细长焦点延伸穿过由脆性材料制成的工件(38)的整个厚度。通过沿切割线描绘光轴来切割工件(38)。脉冲激光辐射的每个脉冲或脉冲串都会在工件(38)的整个厚度上产生延伸的缺陷。

技术领域

本发明一般涉及透明脆性材料的激光加工。本发明特别涉及使用具有约20皮秒或更短的脉冲持续时间的形成细长焦点的超短脉冲激光辐射束切割玻璃工件。

背景技术

激光加工越来越多地用于对各种材料进行切割，钻孔，标记和划线，包括玻璃和蓝宝石等脆性材料。传统的机械加工产生不希望的缺陷，例如当加工后的材料受到应力时可能传播的微裂纹，从而降低和削弱加工的材料。使用聚焦的脉冲激光辐射束对脆性材料进行激光加工，可产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少不需要的缺陷的形成。工业进步需要对越来越多的脆性材料进行激光加工，同时要求提高加工速度和精度。

透明脆性材料通过激光辐射的非线性吸收与聚焦的脉冲激光辐射束相互作用。脉冲激光辐射可以包括一系列单个脉冲或快速脉冲串。每个单个脉冲或脉冲串在光束焦点处在透明脆性材料中产生缺陷。通过沿着工件中的切割路径平移聚焦的脉冲激光辐射束来产生一系列缺陷，从而削弱材料。然后，薄的工件可以自发地分离，而厚的工件可以在施加应力的附加步骤中分离。一种这样的方法是沿着切割路径施加具有被材料吸收的波长的激光束，这通过加热引起机械应力。

近年来，已开发出化学强化玻璃，并广泛用作消费电子装置的显示屏的覆盖玻璃。通过离子交换过程实现化学强化。将硅酸盐玻璃板浸入含有钾离子(K⁺)的盐溶液中。较大的钾离子代替位于玻璃表面附近的较小的钠离子(Na⁺)，从而在玻璃的表面层内引起压缩。在这些表面层之间，玻璃内部处于拉伸状态，从而补偿表面压缩。高表面层压缩使化学强化玻璃极硬(莫氏硬度约为6.5)，并且耐刮擦和机械冲击。蓝宝石(莫氏9级)是一种用于某些装置的替代硬质玻璃材料。

用于消费电子装置的覆盖玻璃通常具有约300微米(μm)至1.1毫米(mm)的厚度。聚焦良好的脉冲激光辐射产生的缺陷通常延伸到几十微米深。切割工件的整个厚度需要在改变聚焦深度的同时沿着切割路径多次扫描聚焦的激光辐射。

已经使用各种手段开发了商业激光加工工艺以产生长焦点，从而减少了沿切割路径所需的扫描次数并提高了激光切割设备的生产率。使用轴棱镜或等效相位掩模作为聚焦元件，从具有高斯横模的光束产生“贝塞尔光束”。轴棱镜是关于光轴旋转对称的锥形棱镜。相位掩模是一种衍射光学元件(DOE)，并且制造起来通常相当昂贵。在实践中，通常需要额外的望远镜来对贝塞尔光束进行去放大，并消除由于轴棱镜或DOE的不完美制造而导致的严重的强度调制。使用贝塞尔光束产生的缺陷可能具有卫星结构，这可能导致质量差的切割边缘。

产生长焦点的另一种方法是产生自引导的“细丝”。由于折射率的非线性分量，在材料中具有高强度的聚焦的脉冲激光辐射束变得进一步聚焦。非线性聚焦和强度之间的正反馈产生等离子体。等离子体内的较低折射率导致散焦。聚焦和散焦之间的平衡维持细丝内的等离子体状态。细丝的传播沿着聚焦元件的光轴在材料中产生空隙。细丝激光加工需要高脉冲能量，接近当前一代超短脉冲激光源的实际限制，并精确控制所有光束参数。材料特性的相对较小的变化(例如正常的材料不均匀性)和光束参数(例如，拍摄间噪声和激光-激光束质量)可能导致细丝激光切割过程中失去控制。

需要一种告效的激光切割方法，该方法将沿着使用较低脉冲能量的切割路径单次切割强化玻璃或蓝宝石。优选地，该方法应该是确定性的并且对材料特性和光束参数的变化不敏感。

发明概述