專利名稱：一種利用超短脈沖激光的透明材料切割方法及切割裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種利用超短脈沖激光的透明材料切割方法及切割裝置。
背景技術(shù)：
在目前的透明基板或者晶圓加工中，主要還是采用砂輪切割或者鉆石刀劃線之后用機(jī)械輥壓裂的方法，切割速度最高為30mm/s。此方法主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生的切割邊緣質(zhì)量較差，會產(chǎn)生大量的碎屑和需要大量去離子水，去離子水會產(chǎn)生環(huán)境污染，雖然去離子水可以被提煉循環(huán)使用，但是仍然不能避免污染同時也會增加運(yùn)行成本。此外，目前顯示行業(yè)逐漸大量開始采用退火強(qiáng)化玻璃，而采用鉆石刀或者砂輪切·割的方式會造成應(yīng)力缺陷點(diǎn)從而降低整片玻璃的強(qiáng)度。另外，在晶圓切割中工件/芯粒與工件/芯粒之間所預(yù)留的間隙越來越小，這也限制了機(jī)械切割方法的使用。目前激光精切割已經(jīng)應(yīng)用于許多透明材料切割，其中切割方法大致上可以分為三種消融、熱膨脹、激光內(nèi)切割。[激光內(nèi)切割技術(shù)，王安平，李正佳等，《激光雜志》2001年第5期]，所采用的激光器包括二氧化碳激光器、固體激光器等。但是在這些材料的精密切割加工方面，激光加工還有著許多不能解決的問題，如切割邊緣或切割表面粗糙、切割后存在殘余的應(yīng)力缺陷、切割縫寬深比例受限制等，這些妨礙了激光切割在透明材料精密加工上的應(yīng)用，使其至今仍然不能有效地取代鉆石刀和砂輪。1996年，Davis等人報道了聚焦飛秒激光可誘導(dǎo)透明介質(zhì)內(nèi)折射率的增加，并且利用飛秒激光的這種特性加工出微光波導(dǎo)[Davis K M，Miura K，Hirao K，1996opt.Lett. 211929]。超短脈寬激光器會導(dǎo)致材料折射率的變化，這個變化可以分為兩類(I)通過非線性作用在焦點(diǎn)處使材料的折射率升高形成波導(dǎo)；(2)焦點(diǎn)處折射率降低，焦點(diǎn)周圍折射率間接升高，在晶體中寫入多條徑跡，徑跡之間形成波導(dǎo)[請參見《光學(xué)晶體波導(dǎo)中的激光和非線性效應(yīng)》山東大學(xué)譚楊博士學(xué)位論文]。利用超短脈沖激光能在材料中形成光波導(dǎo)已經(jīng)成為基本共識。從90年代開始，國內(nèi)外許多的研究人員在進(jìn)行利用超短脈寬激光制造波導(dǎo)的研究，其中有部分研究人員發(fā)現(xiàn)在一定條件下超短脈寬激光在某些透明材料中可形成絲狀、沿激光方向大的折射率變化區(qū)域，直徑在幾微米到幾十微米，長度在幾十微米左右。[利用飛秒激光在透明固體材料中制作光波導(dǎo)的裝置及方法中國專利申請?zhí)?00810154742. 4，南開大學(xué)，涂成厚張雙根呂福云李勇男王宏杰]描述了一般性的激光波導(dǎo)制作方法，提出了一種激光波導(dǎo)的制作裝置。[在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，中國專利申請?zhí)?00610011685. 5，北京大學(xué)，李焱、劉大勇、楊宏、龔旗煌]，[利用超短激光脈沖制備平面光波導(dǎo)的方法，中國申請?zhí)?2121176. 0，北京大學(xué)，龔旗煌、羅樂、蔣紅兵、郭亨長、楊宏]利用超短脈沖激光形成波導(dǎo)，同時控制材料或者工件移動，得到自己所需要的波導(dǎo)形狀。所有此類或者專利研究基本都基于激光單脈沖形成的波導(dǎo)點(diǎn)，然后通過激光或者工件的運(yùn)動將這些點(diǎn)連接或者排列起來。此外所有的這些波導(dǎo)點(diǎn)的尺寸都非常的小，僅僅在幾微米到幾十微米之間，即使是最長的絲狀波導(dǎo)點(diǎn)也不會超過100微米，否者會由于輸入脈沖能量過大直接破壞材料反而不能形成波導(dǎo)。所以目前此類利用超短脈寬激光器制作波導(dǎo)或者利用此原理制作其他器件的研究，激光器實際輸出功率都非常小，數(shù)量級在瓦或一下，而工件或者激光移動速度也會非常低，最大也只有數(shù)十毫米每秒。更重要的是，只能在材料內(nèi)部利用大數(shù)值孔徑的聚焦形成波導(dǎo)點(diǎn)，如果激光焦點(diǎn)過于靠近材料上或者下表面，材料會被直接破壞。在目前的玻璃或者透明材料晶圓激光切割方面，有許多的新技術(shù)和專利，例如，用二氧化碳激光或者紫外激光和水射流配合。[美國專利第5609284號(Kondratenko);美國專利第6787732號(Xuan)]，在極速且位置接近的加熱然后冷卻的條件下，產(chǎn)生劇烈變化的膨脹和收縮，產(chǎn)生并誘導(dǎo)裂縫深入材料，但是此方式在進(jìn)行曲線切割時容易造成切向裂紋。[光學(xué)學(xué)報6881-46，采用100千赫茲，10瓦飛秒激光進(jìn)行平板顯示器玻璃高速切割，M. Kamata, T. Imahoko, N. Inoue, T. Sumiyoshi, H. Sekita, Cyber Laser Inc.(日本)；M. Obara, Keio Univ.(日本)]描述了一種劃線平板顯示器(FPD)玻璃高速切割技術(shù)。采用重復(fù)頻率IOOkHz鈦寶石啁啾脈沖放大激光器，倍頻輸出波長780納米，脈寬300飛秒，單·脈沖能量100皮焦，直接聚焦在玻璃基板下表面附近，由于高峰值能量超出材料的破壞閾值產(chǎn)生空隙，相連的空隙產(chǎn)生的內(nèi)部膨脹應(yīng)力以及熱沖擊，使得玻璃材料在沿激光方向出現(xiàn)切割面。雖然這種方法可能提供極高的切割速度，可達(dá)300毫米/秒，但是會在材料內(nèi)部形成空洞，并產(chǎn)生較大的切口寬度，切割后則工件會出現(xiàn)表面損傷，切割面粗糙度較差，下表面會出現(xiàn)切割碎屑的附著。[中國專利公開號CN101391860A，利用超短脈沖激光束的激光切割裝置及其切割方法，李晚燮，法里德.艾哈邁德，閔喆基]采用飛秒或者皮秒激光進(jìn)行玻璃切割，但是切割方式和[激光內(nèi)切割技術(shù)，王安平，李正佳等，《激光雜志》2001年第5期]所提出的玻璃內(nèi)切割相似，依然是采用對材料的破壞的方式進(jìn)行加工，由于短脈寬激光在透明材料內(nèi)部形成縱向內(nèi)部微爆裂痕跡產(chǎn)生的線性切痕，在工件運(yùn)動狀況下形成切割槽。原理上仍然和內(nèi)切割或者玻璃內(nèi)雕相似，缺點(diǎn)在于單次加工在玻璃內(nèi)部形成的切割槽不能直接貫通材料，需要改變焦點(diǎn)在材料內(nèi)部的深度進(jìn)行多次切割，使不同深度的切割槽相連才能達(dá)到切斷的目的。雖然其在采用飛秒或者皮秒激光的情況下，峰值功率高且單脈沖能量小，在提高了激光能量的利用率的同時減少了激光沖擊對加工區(qū)域周邊的影響，但是其缺點(diǎn)首先是需要進(jìn)行多次加工，即使分光采用多焦點(diǎn)同時加工，作用于上表面的激光產(chǎn)生的等離子體以及對材料造成的破壞會直接影響到聚焦于材料內(nèi)部或者下部的加工效果，極難在商業(yè)化系統(tǒng)中穩(wěn)定實現(xiàn)，此外激光沖擊對加工區(qū)域周邊的影響依然存在，使得加工后的工件強(qiáng)度下降，同時切割面粗糙度大，需要較多的機(jī)械加工后處理。并且在該專利中僅有方法的敘述，沒有對加工結(jié)果進(jìn)行敘述和證明。[中國專利公開號102248302A，超短脈沖激光異形切割鋼化玻璃的裝置及其方法，狄建科，趙裕興，潘傳鵬，徐海賓]，采用振鏡和工作臺配合，在工作臺帶動工件運(yùn)動時，采用振鏡使激光焦點(diǎn)在材料上下表面之間按照一定規(guī)律往復(fù)運(yùn)動，在加工的基本機(jī)理上依然是激光內(nèi)切割或者激光內(nèi)雕。這種方法的切割速度慢，且切割面粗糙，激光沖擊對切割槽周圍的影響依然存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用超短脈沖激光的透明材料切割方法及切割裝置，可以對透明材料進(jìn)行無損精密切割，即切割后的工件不會存在熱或應(yīng)力的殘留，除切割區(qū)域外，材料其他部分的各項特性均不會發(fā)生改變。一種利用超短脈沖激光的透明材料切割方法，通過聚光裝置將從超短脈沖激光發(fā)生裝置輸出的超短脈沖激光進(jìn)行聚光形成聚束激光束，所述聚束激光束從被加工的透明材料的表面入射，所述聚束激光束在材料上引起折射率的變化，激光作用點(diǎn)中心折射率上升形成沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中同時持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和激光貫穿透明材料，然后使激光垂直于所述透明材料的表面勻速移動即可在透明材料中形成一個波導(dǎo)平面。如上所述的利用超短脈沖激光的透明材料切割方法，所述超短脈沖激光是指脈沖寬度為皮秒(I(T12S)、飛秒(I(T15S)級的激光。
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如上所述的利用超短脈沖激光的透明材料切割方法，所述被加工的透明材料為玻璃、寶石材料或退火強(qiáng)化玻璃。一種利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置，包括超短脈沖激光發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生超短脈沖激光光束；聚光裝置，用于對超短脈沖激光發(fā)生裝置產(chǎn)生的超短脈沖激光光束進(jìn)行聚焦形成聚束激光束；所述聚束激光束從被加工的透明材料的表面入射，所述聚束激光束在材料上引起折射率的變化，激光作用點(diǎn)中心折射率上升形成沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中同時持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和激光貫穿透明材料；移動工作臺，用于放置所述透明材料并可勻速移動使得激光垂直于所述透明材料的表面勻速移動，進(jìn)而在透明材料中形成一個波導(dǎo)平面。如上所述利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置，所述超短脈沖激光是指脈沖寬度為皮秒(I(T12S)、飛秒(I(T15S)級的激光。如上所述利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置，所述被加工的透明材料為玻璃、寶石材料或退火強(qiáng)化玻璃。本發(fā)明和砂輪切割相比，速度快、切縫小、無耗材、無粉塵污染。和二氧化碳切割相t匕，切縫小、切面質(zhì)量好、切縫無錐度、無熱效應(yīng)影響、無熔渣和飛濺；和傳統(tǒng)脈沖固體激光器或紫外激光器切割相比切縫小、切面質(zhì)量好、切縫無錐度、無熱效應(yīng)影響、無熔渣和飛濺、沒有衍生裂紋產(chǎn)生、切割深度更深、且不受切割縫寬深比限制。


圖I為本發(fā)明利用超短脈沖激光的透明材料切割方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明利用超短脈沖激光在透明材料中形成多個波導(dǎo)的示意圖；圖3為本發(fā)明利用超短脈沖激光在透明材料中形成的多個波導(dǎo)連成一個平面的示意圖；圖4為本發(fā)明中激光器輸出脈沖能量造成透明材料折射率變化的實驗結(jié)果；
圖5為本發(fā)明利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置實施例二的部分光路示意圖；圖I為本發(fā)明加工玻璃切割口直線邊緣正面的顯微鏡圖片；圖8為本發(fā)明加工玻璃切割面的顯微鏡圖片；圖9為本發(fā)明加工玻璃切割口弧線邊緣正面的顯微鏡圖片。圖中1_聚光裝置，2-聚束激光束，3-透明材料，4-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，5-發(fā)散激光，6_發(fā)散性的激光，8-皮秒激光器，9-光束勻化器，10-反射鏡，11-聚焦物鏡，12-透明材料，13-移動工作臺，14-分光鏡，15-屈光度可調(diào)擴(kuò)束鏡，16-1/2波片，17-反射鏡，18-偏振分光棱鏡，19-1/4波片?！?br> 具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。圖I所示為本發(fā)明利用超短脈沖激光的透明材料切割方法的原理示意圖，從超短脈沖激光發(fā)生裝置輸出的超短脈沖激光的光束經(jīng)過光束勻化器(圖I未示出)、聚光裝置
I(例如聚光透鏡)后形成聚束激光束2從被加工的透明材料3的表面入射，聚束激光束2在材料上引起折射率的變化，即激光作用點(diǎn)中心折射率上升形成沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4，激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4向材料內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中同時持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4和激光貫穿透明材料3，激光在從透明材料3的地面穿出后以發(fā)散激光5輸出。然后使激光垂直于所述透明材料3的表面勻速移動即可在透明材料3中形成一個波導(dǎo)平面6。所述超短脈沖激光是指脈沖寬度為皮秒(I(T12s)、飛秒(I(T15s)級的激光。本發(fā)明利用高重復(fù)頻率的超短脈沖激光聚焦照射在透明材料3的表面，使激光焦點(diǎn)作用處的材料折射率產(chǎn)生變化，形成和激光方向相同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4。之后緊鄰的激光脈沖在這個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)耐瑫r并沿著激光發(fā)射方向繼續(xù)形成波導(dǎo)，這個過程會持續(xù)進(jìn)行，直到形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)沿激光傳輸方向貫穿材料。每一條貫穿材料上下表面的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4都是多個相鄰脈沖連續(xù)循環(huán)作用的結(jié)果。這個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4的長度可控，長度范圍從幾十微米到3毫米，可保持和加工材料相同的厚度。而之前所有的激光波導(dǎo)的制作方法，波導(dǎo)長度最大也只有幾十微米，不能適用于材料的切割。在造成材料折射率的變化的同時，與激光接觸形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4的材料的晶體特性和應(yīng)力特性都會產(chǎn)生變化，使激光接觸過的材料形成與其他部分材料的巨大應(yīng)力差異，也就是應(yīng)力缺陷。在激光的作用下，材料的變化是不可恢復(fù)的，也就是在激光作用完成之后會形成固定的激光波導(dǎo)，根據(jù)材料的不同，波導(dǎo)的直徑在5-12微米之間變化。當(dāng)激光垂直于透明材料表面勻速運(yùn)動時(如圖2所示)，就產(chǎn)生了一個沿激光傳輸方向、貫通材料的波導(dǎo)平面6，亦即應(yīng)力缺陷面(如圖3所示)。加工后的材料(例如單晶體材料或者退火強(qiáng)化玻璃)在承受適當(dāng)外力時，材料只會沿應(yīng)力缺陷面斷裂，斷裂面幾乎無錐度，粗糙度良好。而在此前所有相關(guān)超短脈寬激光制作波導(dǎo)的研究都僅僅關(guān)心了加工后材料的光學(xué)特性，沒有關(guān)注過材料的應(yīng)力或其他特性。在切割過程中，激光不應(yīng)直接產(chǎn)生對材料直接的熔化、汽化、分解、斷裂等作用，必須限制激光的峰值能量對材料的作用使材料僅僅發(fā)生折射率和應(yīng)力特性的變化。因此本發(fā)明對于無損精密切割的準(zhǔn)確定義是切割后的工件不會存在熱或應(yīng)力的殘留，除切割區(qū)域夕卜，材料其他部分的各項特性均不會發(fā)生改變。本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于在激光的作用過程中實現(xiàn)連續(xù)貫通的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4，在激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4傳輸?shù)耐瑫r能持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4。這就需要利用超短脈沖激光器(皮秒、飛秒激光器)作用于材料表面的非線性吸收引起的折射率改變的特性，同時應(yīng)避免激光對材料造成直接的破壞。圖4是飛秒激光作用下，熔石英玻璃的折射率改變曲線[飛秒激光脈沖誘導(dǎo)透明介質(zhì)的非線性吸收和折射率改變輪廓研究，程光華、劉青等，光子學(xué)報，第32卷11期]。針對確定的某種超短脈寬激光器，聚焦在材料表面或者內(nèi)部時，單脈沖能量超過某個數(shù)值Ea，材料的折射率發(fā)生改變，而超過某個數(shù)值時Eb，材料會受到直接的破壞，形成內(nèi)部微小的破裂點(diǎn)，此時激光無法通過這個點(diǎn)。而如果激光的焦點(diǎn)作用于材料的表面時，激光能量在Ea和Eb之間，就只會導(dǎo)致材·料表面形成一個小的折射率高于周圍的圓點(diǎn)，也就是一個細(xì)微的直徑和激光焦點(diǎn)相近波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而激光順著這個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)入材料內(nèi)部時，由于激光受到波導(dǎo)的限制，在進(jìn)入材料內(nèi)部時被波導(dǎo)所約束，光束直徑會始終和這個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直徑相同，這樣在材料內(nèi)部會繼續(xù)形成隨激光指向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而激光順著波導(dǎo)結(jié)構(gòu)延伸的同時，也在繼續(xù)延伸這個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如果不考慮激光在波導(dǎo)中傳輸?shù)膿p耗等因素，這個過程可以一直在材料中延續(xù)下去。為了實現(xiàn)這一效果，激光在進(jìn)入材料表面時候單脈沖能量不能大于Ea，但在傳輸過程中，單脈沖能量損耗到小于Eb時，這個過程也就結(jié)束，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的長度也就到此為止。如上所述，為了實現(xiàn)這一效果，必須采用的是超短脈沖激光。超短脈沖的單脈沖能量必須受到限制小于Ea，這個能量只能形成一小段波導(dǎo)，讓這個過程持續(xù)，就需要多個穩(wěn)定的脈沖，持續(xù)的沿著激光照射點(diǎn)順著波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)入材料內(nèi)部。同時要避免材料受到多個脈沖連續(xù)照射形成的熱或者其他效果的積累產(chǎn)生的破壞。例如，對于一塊厚度在2_的熔石英玻璃，采用100飛秒脈寬的激光器，形成一個貫通的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)需要200-500個脈沖。在材料或者激光勻速運(yùn)動的情況下，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以連成一個波導(dǎo)平面，運(yùn)動速度過慢可能會造成激光過多作用在材料上導(dǎo)致材料被破壞，運(yùn)動速度過快，可能導(dǎo)致波導(dǎo)之間的間距過大，無法形成連續(xù)的面，甚至來不及形成完整的貫通的波導(dǎo)。這個波導(dǎo)平面在折射率改變的同時，強(qiáng)度也發(fā)生了變化，從而形成和周圍材料截然不同的強(qiáng)度特性，并且和相鄰材料之間沒有漸變。在材料承受外力時，材料會從這個面斷裂開。而對于每一種不同的激光器，本發(fā)明涉及到激光參數(shù)包括激光輸出平均功率、峰值功率光束模式、激光脈沖寬度、種子源頻率、激光器內(nèi)部調(diào)制頻率、激光外部光開關(guān)調(diào)制頻率。為了達(dá)到本發(fā)明所要求的應(yīng)用效果，需要對激光輸出模式進(jìn)行調(diào)整，對激光輸出脈沖進(jìn)行調(diào)制。而每個激光器的不同參數(shù)都會影響上文所說的Ea和Eb的大小，以及單脈沖能量和材料折射率變化程度的能量關(guān)系。重要的是要保證輸出的單脈沖能量在Ea和Eb之間，同時脈沖串內(nèi)脈沖間隔時間要保證能產(chǎn)生使折射率變化而使得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠持續(xù)形成但是不至于造成熱和力的積累破壞材料。材料和激光焦點(diǎn)之間的相對運(yùn)動速度也要足以使脈沖串和脈沖串之間有足夠的空間間隔，避免由于在近距離激光效應(yīng)積累造成的材料破壞。本發(fā)明和此前所有該領(lǐng)域內(nèi)機(jī)械和激光等切割方法的最大不同就是在切割過程中不對材料進(jìn)行破壞，而僅僅改變材料被加工部分的原有特性，利用晶體或者玻璃材料應(yīng)力均勻特點(diǎn)，人為制造應(yīng)力缺陷面，產(chǎn)生自然斷裂。本發(fā)明還提供一種利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置，包括超短脈沖激光發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生超短脈沖激光光束；聚光裝置，用于對超短脈沖激光發(fā)生裝置產(chǎn)生的超短脈沖激光光束進(jìn)行聚焦形成聚束激光束；所述聚束激光束從被加工的透明材料的表面入射，所述聚束激光束在材料上引起折射率的變化，激光作用點(diǎn)中心折射率上升形成沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中同時持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和激光貫穿透明材料；
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移動工作臺，用于放置所述透明材料并可勻速移動使得激光垂直于所述透明材料的表面勻速移動，進(jìn)而在透明材料中形成一個波導(dǎo)平面。下面以兩個具體實施例進(jìn)行說明實施例一請參考圖5，本實施例采用高重復(fù)頻率的皮秒激光器超短脈沖激光發(fā)生裝置-皮秒激光器8，在本實施例中，可采用兩種不同的皮秒激光器，一種是重復(fù)頻率Fcon為15兆赫茲，最大平均輸出功率為100W，單脈沖寬度12ps的皮秒激光器，采用外部電光開關(guān)對脈沖進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率Frep為I赫茲到I兆赫茲。調(diào)制脈寬Wt可控制在20納秒到2微秒之間，使得每個觸發(fā)信號可輸出1-12個激光脈沖。另一種是種子源輸出頻率Fseed而50兆赫茲，帶有激光腔內(nèi)和腔外兩個高頻電光開關(guān)進(jìn)行調(diào)制，可輸出平均功率Po為50W，重復(fù)頻率Frep400千赫茲到I兆赫茲，脈寬8ps的激光，每個觸發(fā)信號脈沖可輸出1_10個皮秒激光脈沖，脈沖串內(nèi)包含的脈沖個數(shù)成為Mp。對于不同的激光器，脈沖串內(nèi)脈沖個數(shù)Mp，脈沖串調(diào)制頻率Frep和工件運(yùn)動速度Vm有不同的線性關(guān)系參數(shù)。而激光單脈沖能量Esp必須在前文所說的Ea和Eb之間，針對此兩種皮秒激光器，Ea為0. 2微焦，Eb為20微焦。單脈沖能量 Esp = Po/ (FrepXMp)。在傳輸光路中采用光束勻化器9對激光模式進(jìn)行調(diào)整，光束勻化器9由一組鏡片組成，作用是將光束分解重新排列，使原有的高斯光束轉(zhuǎn)化為近于平頂?shù)臏?zhǔn)均勻光束，使得在焦點(diǎn)處能量密度分布較為平均，不會在焦點(diǎn)中心直接超出材料的破壞閾值。激光通過反射鏡10和聚焦物鏡11輸出。聚焦的N. A.值可以在0. 3-0. 7之間，但是在0. 4-0. 6之間會有比較好的效果。同時采用單片或者雙片氣隙球面鏡，利用球差本身形成的激光光軸的空間線性聚焦。利用聚焦物鏡11的瑞利長度和球差，形成長度和1/e直徑可控的沿激光發(fā)射方向的長焦點(diǎn)，使激光能量在縱向分散，同時由于小的N. A.數(shù)值使得激光焦點(diǎn)直徑小于15微米，并控制焦點(diǎn)中心在透明材料12內(nèi)部的深度。超短脈寬激光會在材料的內(nèi)部生成沿激光方向的折射率增大區(qū)域從而形成微小的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而激光聚焦于這一區(qū)域后會沿著波導(dǎo)結(jié)構(gòu)繼續(xù)向材料內(nèi)部傳輸，且被約束于這個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)不會發(fā)散，這個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的直徑Dw小于10微米。通過高速光開關(guān)的外調(diào)制或者激光器本身的調(diào)制，發(fā)射連續(xù)的脈沖串，脈沖串內(nèi)部脈沖之間的時間間隔Tp在10納秒到100納秒之間，脈沖串之間時間間隔Td為5微秒到I微秒之間。脈沖串的作用在于使單個激光對材料形成的性質(zhì)變化產(chǎn)生累積效應(yīng)，脈沖串內(nèi)的脈沖會從激光焦點(diǎn)附近耦合進(jìn)入之前脈沖形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，而被波導(dǎo)結(jié)構(gòu)約束不能發(fā)散，在之前形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)底部繼續(xù)之前脈沖形成波導(dǎo)的過程，連續(xù)的脈沖串使波導(dǎo)結(jié)構(gòu)順著激光發(fā)射方向連續(xù)生成，直到貫通材料。采用可高速移動的移動工作臺13，工作臺速度Vm在200mm/s到1000mm/s之間。保證相鄰脈沖串在材料的作用點(diǎn)間距大于k*Dw，其中系數(shù)k和材料特性相關(guān)，絕大部分材料k不大于0. 2，Dw為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的直徑，過低的運(yùn)動速度會導(dǎo)致激光對材料效應(yīng)的積累導(dǎo)致材料直接的破壞。實施例二基本結(jié)構(gòu)與實施例一類似，其區(qū)別在于在激光傳輸光路中，將激光通過分光鏡14分成兩束A和B，A光束所占激光輸出功率15-40 %之間，A和B光束分別采用屈光度可調(diào)擴(kuò)束鏡15擴(kuò)束，然后在A光束路徑上增加1/2波片16將激光偏振方向偏轉(zhuǎn)90度之后通過偏·振分光棱鏡18將A和B光束合為一束，然后采用1/4波片19將激光線偏振轉(zhuǎn)換為圓偏。本實施例的聚焦裝置采用長工作距離物鏡進(jìn)行聚焦，對A和B光束路徑中的屈光度可調(diào)擴(kuò)束鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣A和B光束的聚焦點(diǎn)將分別在不同的高度。分別利用光閘關(guān)斷A和B光束，然后對兩個光束的焦點(diǎn)位置進(jìn)行測定。調(diào)節(jié)屈光度可調(diào)擴(kuò)束鏡15，使A和B光束焦點(diǎn)位于設(shè)定位置并測定間距。調(diào)節(jié)長工作距離物鏡高度，使A光束焦點(diǎn)位于工件上表面或略低于工件上表面，B光束焦點(diǎn)低于工件小表面。在激光發(fā)射過程中，A光束焦點(diǎn)對工件的照射形成折射率的變化，誘導(dǎo)B光束中心部分沿A光束形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向下傳輸，通過連續(xù)的脈沖串的作用，形成連續(xù)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到貫通整個工件。在目前已經(jīng)完成的實驗表明，脈寬小于20皮秒的超短激光器在特定的條件下都能產(chǎn)生材料非線性吸收效應(yīng)，但是容易被材料吸收的波長，對材料的直接破壞會大于非線性吸收效果，容易直接造成材料的破壞。目前一般全固態(tài)皮秒激光器的輸出波長大致上可分為基頻1064(1060等)納米，二倍頻532(530等)納米，三倍頻355(351等)納米，四倍頻266納米。以上波長中，只有基頻1064(1060等)納米波長激光適合這一應(yīng)用。此外，采用波長780納米或者800納米左右的飛秒激光器也能夠用于這一應(yīng)用。而目前大部分超短脈寬激光器，包括皮秒、飛秒甚至阿秒激光器大部分都還不能進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。所以本發(fā)明實驗最后選擇的是目前已經(jīng)成熟穩(wěn)定能夠進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的皮秒激光器。但是其他超短脈沖激光器能夠投入商業(yè)化應(yīng)用的條件下，也可以根據(jù)本文所描述的方法實施此項應(yīng)用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于切割過程中不產(chǎn)生對材料的熱或者化學(xué)性質(zhì)的傷害。在切割后用顯微鏡從材料的正面觀察，可看到明顯的光學(xué)特性變化區(qū)域，寬度為3微米(如圖7和圖9所示)。表面和內(nèi)部沒有明顯的切割槽存在。變化區(qū)域表面光滑，無任何切割槽或者裂縫可以被檢測到。在從變化區(qū)域斷裂之后，斷裂面平整，粗糙度為2微米，邊緣無毛刺或者鋸齒現(xiàn)象，邊緣直線度同樣在2微米左右，斷裂面兩側(cè)無衍生裂紋(如圖8所示)。利用超短脈寬激光器的高峰值功率在材料內(nèi)產(chǎn)生的非線性吸收效應(yīng)，在對激光能量進(jìn)行空間和時間上的受控合理分布，使作用于材料內(nèi)部的激光能量只改變材料的部分晶體和光學(xué)特性，不直接破壞材料，同時利用非線性吸收效應(yīng)對材料折射率的改變形成激光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和高重復(fù)頻率脈沖串的累積效應(yīng)使得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)持續(xù)生成以至貫通材料，高速運(yùn)動工件材料使得不斷形成線性波導(dǎo)形成應(yīng)力缺陷面。所以不會有其他的裂紋或者應(yīng)力缺陷產(chǎn)生。在加工過程中沒有材料的汽化、分解、斷裂，沒有污染產(chǎn)生。本發(fā)明和其他所有激光切割玻璃、藍(lán)寶石、半導(dǎo)體基板、襯底等發(fā)明相比的不同就是在切割過程中不會直接破壞材料，不會氣化、分解、沖擊斷裂材料，只是利用材料在超短脈沖激光的作用下，改變部分的光學(xué)和晶體特性，使得在材料中出現(xiàn)位置、形狀、尺寸可控制的，強(qiáng)度減弱的區(qū)域。本發(fā)明和砂輪切割相比，速度快、切縫小、無耗材、無粉塵污染。和二氧化碳切割相t匕，切縫小、切面質(zhì)量好、切縫無錐度、無熱效應(yīng)影響、無熔渣和飛濺；和傳統(tǒng)脈沖固體激光器或紫外激光器切割相比切縫小、切面質(zhì)量好、切縫無錐度、無熱效應(yīng)影響、無熔渣和飛濺、沒有衍生裂紋產(chǎn)生、切割深度更深、且不受切割縫寬深比限制。
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本文可對透明無機(jī)材料如玻璃、寶石材料進(jìn)行精密無損切割加工，尤其適用于貴重透明材料如寶石和退火強(qiáng)化玻璃的切割。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種利用超短脈沖激光的透明材料切割方法，其特征在于通過聚光裝置將從超短脈沖激光發(fā)生裝置輸出的超短脈沖激光進(jìn)行聚光形成聚束激光束，所述聚束激光束從被加工的透明材料的表面入射，所述聚束激光束在材料上弓I起折射率的變化，激光作用點(diǎn)中心折射率上升形成沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中同時持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和激光貫穿透明材料，然后使激光垂直于所述透明材料的表面勻速移動即可在透明材料中形成一個波導(dǎo)平面。
2.如權(quán)利要求I所述的利用超短脈沖激光的透明材料切割方法，其特征在于所述超短脈沖激光是指脈沖寬度為皮秒(10-12s)、飛秒(10-15s)級的激光。
3.如權(quán)利要求I所述的利用超短脈沖激光的透明材料切割方法，其特征在于所述被加工的透明材料為玻璃、寶石材料或退火強(qiáng)化玻璃。
4.一種利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置，其特征在于包括 超短脈沖激光發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生超短脈沖激光光束； 聚光裝置，用于對超短脈沖激光發(fā)生裝置產(chǎn)生的超短脈沖激光光束進(jìn)行聚焦形成聚束激光束； 所述聚束激光束從被加工的透明材料的表面入射，所述聚束激光束在材料上弓I起折射率的變化，激光作用點(diǎn)中心折射率上升形成沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中同時持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和激光貫穿透明材料； 移動工作臺，用于放置所述透明材料并可勻速移動使得激光垂直于所述透明材料的表面勻速移動，進(jìn)而在透明材料中形成一個波導(dǎo)平面。
5.如權(quán)利要求4所述利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置，其特征在于所述超短脈沖激光是指脈沖寬度為皮秒(10-12s)、飛秒(10-15s)級的激光。
6.如權(quán)利要求4所述利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置，其特征在于所述被加工的透明材料為玻璃、寶石材料或退火強(qiáng)化玻璃。
全文摘要
一種利用超短脈沖激光的透明材料切割方法，通過聚光裝置將從超短脈沖激光發(fā)生裝置輸出的超短脈沖激光進(jìn)行聚光形成聚束激光束，聚束激光束從被加工的透明材料的表面入射，激光作用點(diǎn)中心折射率上升形成沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中同時持續(xù)產(chǎn)生沿激光發(fā)射方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直到整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和激光貫穿透明材料，然后使激光垂直于透明材料的表面勻速移動即可在透明材料中形成一個波導(dǎo)平面。本發(fā)明還提供一種利用超短脈沖激光的透明材料切割裝置。本發(fā)明切割速度快、切縫小、無耗材、無粉塵污染，加工后的材料在承受適當(dāng)外力時，材料只會沿應(yīng)力缺陷面斷裂，斷裂面幾乎無錐度，粗糙度良好。
文檔編號B28D5/04GK102785031SQ20121029074
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月15日
發(fā)明者王輝文, 郭琛 申請人:武漢雋龍科技有限公司