[发明专利]一种透明材料超快激光切割方法及装置

说明书

本发明公开了一种透明材料的超快激光切割方法及装置，由半导体激光器调制提供脉冲串种子激光，经光纤放大器放大后再进行三倍频，将激光脉冲串经贝塞尔切割头聚焦到透明材料的待加工位置，在被加工材料内部形成三个以上的聚焦点，通过移动聚焦位置，实现对透明材料的切割；每一激光脉冲串里包括至少四个激光脉冲，脉冲宽度小于60ps，峰值功率大于1MW，相邻激光脉冲间的时间小于30ns；相邻脉冲串间的间隔时间大于100ns；激光脉冲宽度展宽量和压缩量都不超过种子激光脉宽的40%。本发明保证了切割光束的可靠性，有效利用前一脉冲的余热，保证了切割加工的质量，实现对材料的直线和各种异形外形切割。

技术领域

本发明涉及一种激光加工方法，具体涉及一种用于对透明材料进行切割加工的超快激光切割方法及其装置。

背景技术

玻璃和蓝宝石透明材料已经成为了人们日常生活中不可缺少的一部分，随着经济的发展，对玻璃制品的需求量与日俱增。在玻璃和蓝宝石的生产工业中，玻璃和蓝宝石加工是一个十分重要环节。

一般来说，玻璃和蓝宝石加工（冷加工）主要包括抛光、切割、钻孔、雕刻、磨边等。为了工业化实现上述玻璃和蓝宝石加工的目的，现有技术中采用的加工方法主要有机械加工方法、化学加工方法（主要用于抛光和刻蚀）、高压水射流加工方法（主要用于切割和钻孔）和激光加工方法。其中，激光加工方法在加工速度和自动化程度方面都要远远优于其它的方法。

通常，对玻璃和蓝宝石进行激光加工采用的是波长在10.6μm附近的CO₂激光器，其输出功率一般需要达到100W以上。CO₂激光器加工玻璃和蓝宝石是通过激光入射使玻璃受热后发生断裂而实现的。以平板玻璃的切割为例，将CO₂激光器发出的激光束聚焦到平板玻璃上，高功率的激光使得玻璃在激光的焦点位置受热发生断裂，裂缝向玻璃的上下表面延伸从而完成切割。在受热切割的过程中，通常需要使用淬火嘴将冷水或冷气喷射到切割道上，使玻璃裂开。这种方法切割精度较低，同时难以加工复杂图形。

使用纳秒脉冲激光可以对玻璃和蓝宝石进行激光加工，达到比CO₂激光器更好的加工效果。与传统的CO₂激光器不同，这种纳秒激光器是通过微爆破的方式实现玻璃加工的。同样以平板玻璃的切割为例，通过3D扫描振镜可以使激光的焦点在竖直方向上移动，在激光焦点经过的地方，玻璃会发生微米量级的爆破，这种微小损伤在竖直方向上叠加从而实现了精度更高的切割。这种纳秒激光器在玻璃和蓝宝石加工方面还存在着一些缺陷。纳秒激光加工后的崩边一般大于50微米，然而在不少应用场合，要求崩边小于20微米。

为了达到小于20微米的激光加工水平，可以采用超快激光加工。将皮秒激光脉冲聚焦到透明材料的待加工位置，通过移动聚焦位置，实现对透明材料的加工。加工时，将激光束聚焦至待加工透明材料的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的加工。所述的移动聚焦位置可以通过扫描振镜实现，输出的激光经扫描振镜后由聚焦透镜聚焦到透明材料的待加工位置，使透明材料发生微米量级的去除，通过扫描振镜移动焦点的位置，使去除点在所需加工的区域叠加从而实现加工。具体加工时，激光束聚焦至待加工透明材料的下表面，按设定轨迹进行加工并逐步升高聚焦点，由下至上实现对透明材料的加工。这样的超快激光加工没有斜角。但是这种加工方法的加工速度比较慢。

加工速度比较快的是超快激光贝塞尔切割方法，然而，贝塞尔切割时一般采用皮秒自由空间固体激光器。皮秒自由空间固体激光器制作不方便， 可靠性差，光束质量差，价格高。

所以，找到一种新的超快皮秒激光器来实现透明材料的快速、低成本加工是十分有意义的。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种透明材料超快激光切割方法，以克服现有技术中加工受限的问题，提高激光透明材料加工的精度和速度。

本发明的另一个发明目的是提供一种实现该加工方法的透明材料切割装置。