[发明专利]一种硬脆材料的超快激光加工方法

说明书

本发明公开了一种用于硬脆材料的超快激光加工方法，首先通过光束整形将脉冲激光器输出的高斯光束转换为能量集中且分布更均匀的光束(如平顶光束、贝塞尔光束等)；然后通过对激光加工参数的控制，在激光辐照区域形成多孔褶皱结构；再通过移动激光聚焦位置实现对硬脆材料的切割、钻孔加工。本发明通过光束整形并结合激光加工参数优化手段，可有效提高加工精度和断面质量；采用本发明所述方法加工的玻璃样品具有截面光滑、热影响区小和节能环保等优势。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种硬脆材料的超快激光加工方法。

背景技术

智能时代的发展开拓了各类材料在日常生活和科技发展各领域的应用和研究，如光学晶体用作紫外准分子激光器和某些红外激光器的输出窗口，透镜；玻璃作为显示面板原材料用于消费电子领域；微晶玻璃作为大型望远镜的镜坯用于天文观测，作为激光陀螺的腔体和反射镜原材料，用于惯性导航；先进陶瓷材料作为特殊轴承用于航空航天领域。为了满足上述材料在实际应用中的需求，如何实现高效、高质量的加工效果成为了至关重要和亟待解决的问题。

鉴于材料固有的高硬度、高脆性内在特征，裂纹极易产生并随机扩展，成为了实现高效、高精度加工亟待攻克的难关之一。一般来说，硬脆材料的传统加工技术主要包括机械切割、钻孔、雕刻等，需要进一步结合化学刻蚀或机械抛光等方式以满足需求。整个加工过程冗长复杂、成本昂贵且环境污染较大，同时难以实现小尺寸硬脆材料在三维方向上任意形式的高效、高质量加工。

超快激光作为一种新型加工技术手段，作用于硬脆材料时，因单个脉冲持续时间短于电子-声子耦合时间，可以通过非线性吸收将能量聚焦，因此显著减小了热影响区，足以实现微纳尺度的高精度加工。公开号为CN111618454A的专利，将激光脉冲串经贝塞尔切割头聚焦于透明材料的待加工位置，并在其内部形成三个以上的聚焦点，通过移动聚焦位置实现切割；该方法通过优化单个脉冲串中的脉冲数、激光脉冲宽度、峰值功率和相邻脉冲间的时间，有效利用前一脉冲的余热，产生并提高微裂纹的长度，实现对材料的直线和各种异形切割；但该加工方法中微裂纹的扩展难以控制，极易产生损伤；由于不同聚焦点诱导的微裂纹需要连接在一起，未实现小崩边、光滑的切割效果还需要借助高精度、高稳定性的移动平台；另外利用余热还无法避免一定的热影响区，需要通过进一步进行机械抛光或化学刻蚀降低热损伤。公开号为CN112142315A的专利中，通过光束整形将所得贝塞尔超快激光束聚焦于厚玻璃的内部，调整能量密度至待加工玻璃的光学损伤阈值以上进而产生穿孔，再结合其他机械应力分离方式、CO₂应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种方式组合的形式，实现玻璃的完全分离；这种穿孔加工方法需要较高的激光能量，不容易保证加工质量，同时若干个穿孔轮廓线的依次形成需要一定的时间，而且后续预置的玻璃分离方式对于加工效果同样至关重要；整体加工过程复杂繁琐，成本相对较高且无法避免热影响区。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种用于硬脆材料的超快激光加工方法，有效提高激光加工玻璃材料的精度和效率。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种硬脆材料的超快激光加工方法，包括如下步骤：由激光器调制提供脉冲激光，将脉冲激光器输出的高斯光束通过光束整形转换为能量集中且分布更均匀的平顶光束或贝塞尔光束，并通过聚焦物镜最终聚焦于玻璃材料表面；调节激光加工参数直至在激光辐照区域形成多孔褶皱结构，通过移动激光聚焦位置，再结合应力分离方式，实现对硬脆材料的加工；其中激光辐照区域形成的多孔褶皱结构具有密集分布的微米级甚至纳米级孔洞结构(因其结构类似多孔泡沫材料，将其称为“多孔泡沫区”)，使激光辐照区与未辐照区形成明晰陡峭的界面，能有效调解加工过程中产生的热应力，减少崩边，进而获得高质量激光加工效果。

优选的，所述平顶光束或贝塞尔光束初始聚焦于硬脆材料的下表面，可有效避免前期形成的多孔泡沫结构对后续激光的传输路径和强度分布造成的不利影响。