[发明专利]多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法及装置

摘要

本发明涉及多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法及装置，激光器输出光束，扩束镜对光束的直径及发散角度进行连续调节，第一反射单元将光束反射至激光光束首次整形装置，光束首次整形装置将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个或多个环形区域内，光束二次整形装置将光束进行再次整形，对激光光束能量分布及大小调节，动态控制焦点分布范围，第二反射单元将光束入射至聚焦镜，对光束聚焦，光束形成有限范围内分布的多焦点，焦点分布范围包含被加工对象；X‑Y轴运动平台，承载被加工对象，相对于聚焦镜运动。基于激光应力诱导切割技术的延展技术通过增加沿光轴方向的焦点数量实现脆性透明材料的加工。 1

主权项

1.多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：依光路方向设置有：

激光器(1)，输出光束；

扩束镜(4)，对从激光器(1)输出光束的直径及发散角度进行连续调节；

第一反射单元，将扩束镜(4)出射的光束反射至激光光束首次整形装置(7)；

光束首次整形装置(7)，将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个环形或多个环形区域内；

光束二次整形装置(8)，将首次整形过后的激光光束进行再次整形，对激光光束能量分布及大小调节，动态控制焦点分布范围；

第二反射单元，将二次整形后激光光束入射至聚焦镜(11)；

聚焦镜(11)，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，激光光束形成有限范围内分布的多焦点，焦点分布范围包含被加工对象；

X‑Y轴运动平台(2)，承载被加工对象，相对于聚焦镜(11)运动。

2.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述激光器(1)为脉冲宽度小于100纳秒、波长可选范围343～2000纳米的脉冲激光器。

3.根据权利要求2所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述激光器(1)为脉宽范围7～15皮秒、波长1030nm或1064nm的脉冲激光器。

4.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述扩束镜(4)为具有可调倍率及改变发散角的扩束镜。

5.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述第一反射单元包含依光路方向布置的第一反射镜(5)和第二反射镜(6)。

6.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述光束首次整形装置(7)为空间光调制器、可变形反射镜或衍射光学透镜。

7.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述光束二次整形装置(8)为可调节光阑。

8.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第三反射镜(9)和第四反射镜(10)。

9.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：所述聚焦镜(11)安装于Z轴升降运动单元(3)上。

10.根据权利要求1所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其特征在于：还包含控制系统(100)和光束二次整形装置控制单元(200)，控制系统(100)与光束二次整形装置控制单元(200)和X‑Y轴运动平台(2)控制连接，光束二次整形装置控制单元(200)与光束二次整形装置(8)控制连接。

11.多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：激光经光束整形后汇聚成多个沿光轴方向分布的焦点，且多个焦点所覆盖的范围在20～3000微米范围内连续可调，调节焦点范围使焦点的覆盖范围大于被加工对象的厚度。

12.根据权利要求11所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：调节焦点范围使焦点的覆盖范围大于被加工对象的厚度，在被加工对象上下表面及内部或者在被加工对象内部形成微小爆裂点，被加工物体相对于焦点运动形成贯穿被加工对象上下表面的爆裂面，以爆裂面为导向实现材料的分离。

13.根据权利要求12所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：以爆裂面为导向通过施加机械外力实现材料的分离。

14.根据权利要求12所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：对于曲线和封闭图形，通过化学药剂腐蚀的方法实现材料的分离。

15.根据权利要求11所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：由激光器(1)输出脉冲激光，扩束镜(4)对光束的直径及发散角度进行连续调节；由第一反射单元将出射的光束反射至激光光束首次整形装置(7)，光束首次整形装置(7)将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个环形或多个环形区域内；光束二次整形装置(8)将首次整形过后的激光光束进行再次整形，对激光光束能量分布及大小调节，动态控制焦点分布范围，形成具有能量以及分布形状的激光光束；由第二反射单元，将二次整形后激光光束入射至聚焦镜(11)，聚焦镜(11)，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，激光光束形成有限范围内分布的多焦点，焦点分布范围包含被加工对象；X‑Y轴运动平台(2)承载被加工对象，相对于聚焦镜(11)运动；从而在被加工对象的表面以及内部形成由爆裂点组成的截面，即爆裂面。

16.根据权利要求15所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：爆裂面的高度大于被加工对象的厚度时，被加工对象的上下表面以及内部均产生爆裂点。

17.根据权利要求15所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：光束二次整形装置(8)调节多焦点分布的有限范围，爆裂面的高度小于被加工对象的厚度，通过调节聚焦镜至合适高度，在被加工对象材料内部形成爆裂面，而材料上下表面无损伤。

18.根据权利要求15所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：所述光束二次整形装置(8)为可调节光阑，通过对激光光束的遮挡进行激光光束能量分布和大小的控制。

19.根据权利要求18所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：所述可调节光阑采用电动控制孔径大小的结构，或者是切换式结构，切换式结构中光阑为软边光阑。

20.根据权利要求15所述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其特征在于：由控制系统(100)发出控制指令给光束二次整形装置控制单元(200)，光束二次整形装置控制单元(200)为驱动装置，由光束二次整形装置控制单元(200)控制光束二次整形装置(8)中电机，对光束二次整形装置(8)的光阑的开合或切换动作。