專利名稱：脆性材料脈沖激光切割方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光切割方法，特別是一種依據(jù)線偏振激光輻照脆性材料過程中弓丨發(fā)的熱應力完成板形脆性材料斷裂切割的方法。
背景技術：
現(xiàn)有關于脆性材料的激光切割技術，大多采用連續(xù)激光沿直線在脆性板形材料表面進行掃描，利用激光束經(jīng)透鏡聚焦后產(chǎn)生的高密度能量，使材料在短時間內(nèi)熔化甚至氣化，然后用輔助吹氣將熔渣吹除，進而通過移動激光束形成連續(xù)的燒蝕區(qū)域完成切縫。這類激光切割方法多使用圓偏振激光來形成連續(xù)的燒蝕區(qū)域?qū)⒉牧先蹟?，過程中所需激光能量大且存在切割速度慢、切割面粗糙、浪費材料等缺點?！禔pplied Physics A》1999年68期中報道了由 S. Nolte 等發(fā)表的題為 “Polarization effects in ultrashort-pulse laser drilling”的文章，其中對材料在線偏振激光作用下形成了狹長橢圓形燒蝕孔的機理進行了分析，認為是由于線偏振激光的極化方向?qū)す饽芰吭诓牧媳砻娴哪芰砍练e狀況產(chǎn)生的影響，在線偏振激光的輻照下，材料表面沿極化方向產(chǎn)生狹長型燒蝕區(qū)域?！禞ournal Of Applied Physics)) 2002 年 92 卷 3 期中報道了由 K. Venkatakrishnan 等發(fā)表的題為 “The effect of polarization on ultrashort pulsed laser ablation of thin metal films" 的文章，文中對脈沖式線偏振激光沿金屬材料表面掃描的情況進行了分析。當激光能量密度略高于材料熔融閾值時，線偏振激光輻照下可以觀察到明顯的狹長形燒蝕區(qū)域，而當激光能量密度遠高于材料熔融閾值時，燒蝕區(qū)域仍為圓形。相比于圓偏振激光的掃描過程圓形燒蝕區(qū)域，線偏振光掃描過程中激光的極化方向和掃描方向保持一致時情況下，狹長形燒蝕區(qū)域容易發(fā)生交疊，因而易沿激光掃描方向形成切縫，從而完成對材料的切割。但上述文章只是針對金屬材料進行了分析，線偏振激光掃描情況下完成對金屬材料的切割仍需要高能激光在材料表面形成連續(xù)性的燒蝕區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在切割過程中所需激光能量小，切割速度快、切割面光滑且能有效節(jié)省材料的脆性材料脈沖激光切割方法。本發(fā)明目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的，脆性材料脈沖激光切割方法，它是在由脈沖激光器、電動平移臺、光學組件以及電子計算機構成的脈沖激光切割系統(tǒng)中完成，其具體實現(xiàn)步驟如下步驟1 將待切割脆性板材固定在脈沖激光切割系統(tǒng)中的電動平移臺上面；步驟2 啟動脈沖激光切割系統(tǒng)，通過計算機控制調(diào)整激光的脈寬、頻率、單脈沖輸出能量，并使系統(tǒng)激光器發(fā)出的線偏振激光束經(jīng)光學組件中的反射鏡和聚焦透鏡后輻照在脆性板材的表面被切割一端的邊緣；步驟3 在激光器工作的同時啟動電動平移臺，由計算機控制使脆性板材在脈沖激光輻照即切割過程中，隨電動平移臺以固定速度進行一維平移，且切割過程中偏振方向與激光掃描方向保持一致；步驟4 掃描過程中，由計算機控制調(diào)整電動平移臺的平移速度和激光頻率，使激光在脆性板材上形成沿掃描方向間隔式分布且不發(fā)生交疊的狹長型燒蝕區(qū)域；步驟5 利用狹長型燒蝕區(qū)域兩端產(chǎn)生的拉向熱應力，脆性材料會沿激光掃描方向發(fā)生自動斷裂，將相鄰的燒蝕區(qū)域連接，從而完成對脆性板材的切割。上述步驟2中系統(tǒng)輸出激光的脈寬、單脈沖能量可調(diào)，激光器的單脈沖能量在 0. 5J 80J范圍內(nèi)可調(diào)，激光頻率0 IOOHz可調(diào)；上述步驟4中相鄰兩狹長型燒蝕區(qū)域間的距離D可以通過表達式D = v/f得到，其中v為電動平移臺移動速度，f為激光頻率。本發(fā)明所述方法，它是利用了線偏振激光可在材料表面形成狹長型燒蝕區(qū)域以及脆性材料易斷裂的特性來對脆性板形材料進行切割，利用線偏振激光在脆性板型材料表面進行掃描，在材料表面沿掃描方向間隔式分布不需要相互交疊的狹長型燒蝕區(qū)域，進而利用狹長型燒蝕區(qū)域兩端的應力，引發(fā)材料的斷裂將相鄰的燒蝕區(qū)域連接在一起，最終使脆性材料沿激光掃描方向發(fā)生斷裂完成切割。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比其顯著的優(yōu)點是(1)切割過程中利用線偏振激光在脆性板形材料表面進行掃描，相比于圓偏振光掃描模式，材料表面所形成的狹長形燒蝕區(qū)域更容易使材料沿切割方向分離；(2)掃描過程中燒蝕區(qū)域間隔式分布，不需要相互交疊，而是靠熱應力誘發(fā)沿掃描方向產(chǎn)生的斷裂來完成燒蝕區(qū)域的連接，切割所需激光能量??；(3) 利用脆性材料斷裂完成的切割，相比于現(xiàn)有燒蝕得到的切割面斷面光滑平整，切割質(zhì)量高， 不僅減少了材料的浪費，還可以簡化后續(xù)加工工序；(4)由于掃描過程中不需要燒蝕區(qū)域發(fā)生交疊，因而切割速度快。本發(fā)明可廣泛應用于對玻璃、陶瓷、半導體等脆性板形材料的切割中。本發(fā)明的具體結構由以下附圖和實施例給出。


圖1是根據(jù)本發(fā)明所述脆性材料脈沖激光切割方法所用系統(tǒng)的工作原理示意圖。圖2是切割脆性材料過程中激光掃描方向與激光偏振方向示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，以切割厚度為0. 5mm脆性陶瓷板形材料為例，對本發(fā)明切割步驟進行詳細描述。本發(fā)明方法對0.5mm脆性陶瓷板形材料的加工是在脈沖激光切割系統(tǒng)中完成，參見圖1，該系統(tǒng)是由脈沖激光器1、反射鏡2，聚焦透鏡3、電動平移臺5以及計算機4組成。 其具體實現(xiàn)步驟如下步驟1 將待切割0. 5mm脆性陶瓷板固定在脈沖激光切割系統(tǒng)中的電動平移臺上面；步驟2 啟動脈沖激光切割系統(tǒng)，利用計算機對單脈沖能量和激光頻率在0. 5J 80J和0 IOOHz范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，本例激光能量調(diào)節(jié)為2J，激光頻率為10Hz，脈寬為1毫秒；該線偏振激光束經(jīng)光學組件中的反射鏡和聚焦透鏡后輻照在脆性板材的表面被切割一端的邊緣中心位置；
步驟3 激光器工作的同時啟動電動平移臺，由計算機控制將電動平移臺的平移速度調(diào)整為25mm/s ；激光輻照過程中，材料隨電動平移臺保持固定速度進行一維平移，切割過程中偏振方向與激光掃描方向保持一致；步驟4:掃描過程中，在陶瓷板上沿掃描方向得到間隔式分布且不發(fā)生交疊的狹長型燒蝕區(qū)域，相鄰兩狹長型燒蝕區(qū)域間的距離D可以通過表達式D = v/f得到，其中為電動平移臺移動速度，f為激光頻率；本例根據(jù)該表達式得到相鄰兩激光輻照區(qū)域中心的間距 D = 2. 5mm ；步驟5 利用狹長型燒蝕區(qū)域兩端產(chǎn)生的拉向熱應力，脆性材料會沿激光掃描方向發(fā)生自動斷裂，將相鄰的燒蝕區(qū)域連接，從而完成對脆性板材的切割。根據(jù)本發(fā)明方法對厚度為0. 5mm脆性陶瓷板形材料進行切割的激光掃描方向與激光偏振方向見圖2所示。
權利要求
1.一種脆性材料脈沖激光切割方法，它是在由脈沖激光器、電動平移臺、光學組件以及電子計算機構成的脈沖激光切割系統(tǒng)中完成，其具體實現(xiàn)步驟如下步驟1 將待切割脆性板材固定在脈沖激光切割系統(tǒng)中的電動平移臺上面； 步驟2 啟動脈沖激光切割系統(tǒng)，通過計算機控制調(diào)整激光的脈寬、頻率、單脈沖輸出能量，并使系統(tǒng)激光器發(fā)出的線偏振激光束經(jīng)光學組件中的反射鏡和聚焦透鏡后輻照在脆性板材的表面被切割一端的邊緣；步驟3 在激光器工作的同時啟動電動平移臺，由計算機控制使脆性板材在脈沖激光輻照即切割過程中，隨電動平移臺以固定速度進行一維平移，且切割過程中偏振方向與激光掃描方向保持一致；步驟4 掃描過程中，由計算機控制調(diào)整電動平移臺的平移速度和激光頻率，使激光在脆性板材上形成沿掃描方向間隔式分布且不發(fā)生交疊的狹長型燒蝕區(qū)域；步驟5:利用狹長型燒蝕區(qū)域兩端產(chǎn)生的拉向熱應力，脆性材料會沿激光掃描方向發(fā)生自動斷裂，將相鄰的燒蝕區(qū)域連接，從而完成對脆性板材的切割。
2.根據(jù)權利要求1所述脆性材料脈沖激光切割方法，其特征是上述步驟2中系統(tǒng)輸出激光的脈寬、單脈沖能量可調(diào)，激光器的單脈沖能量在0. 5J 80J范圍內(nèi)可調(diào)，激光頻率 0 IOOHz可調(diào)。
3.根據(jù)權利要求1所述脆性材料脈沖激光切割方法，其特征是上述步驟4中相鄰兩狹長型燒蝕區(qū)域間的距離D可以通過表達式D = v/f得到，其中v為電動平移臺移動速度，f 為激光頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脆性材料脈沖激光切割方法，它通過脈寬為毫秒量級的脈沖激光器、計算機、電動平移臺等組成的裝置來實施對脆性板形材料的切割。利用線偏振激光可在材料表面形成狹長型燒蝕區(qū)域以及脆性材料易斷裂的特性，使脆性板形材料表面沿掃描方向形成間隔式分布且不相互交疊的狹長型燒蝕區(qū)域，再利用該燒蝕區(qū)域兩端的應力，使材料斷裂將相鄰的燒蝕區(qū)域連接在一起完成切割。本發(fā)明采用線偏振激光形成的狹長型燒蝕區(qū)域可減少對材料的浪費，燒蝕區(qū)域間通過材料斷裂完成切割，斷裂面光滑整潔，切割質(zhì)量高；燒蝕區(qū)域間隔式分布，不需要相互交疊，所需激光能量小，切割速度快，可廣泛應用于對玻璃、陶瓷、半導體等脆性板形材料的切割中。
文檔編號B23K26/36GK102319958SQ20111023815
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權日2011年8月19日
發(fā)明者倪曉武, 劉劍, 沈中華, 秦淵, 陸建 申請人:南京理工大學