本發(fā)明總體上涉及激光加工領(lǐng)域，具體而言涉及用于借助于激光輻射去蝕脆硬材料的方法和裝置。

背景技術(shù)：

激光加工由于其精準(zhǔn)性以及極小的加工器具磨損而被越來越普遍地使用。近年來，隨著手機、平板計算機等大屏幕設(shè)備的興起，激光加工被越來越多地加工諸如薄玻璃之類的脆硬材料。

名稱為“一種自動冷卻激光切割機床”的中國專利申請CN201510516684.5公開了一種激光切割方法，其中利用激光的熱效應(yīng)沿切割路徑加熱材料并使其快速冷卻，使得在材料中沿切割路徑產(chǎn)生強撕裂內(nèi)應(yīng)力，從而使材料沿切割路徑分離。然而，由于激光加工時的熱效應(yīng)以及之后的冷卻處理，常常在材料中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、甚至裂紋，從而使得經(jīng)加工的材料、尤其是脆硬材料易于產(chǎn)生脆裂等質(zhì)量問題。此外，該方法也不適于切割曲線路徑、尤其是曲率半徑小于20毫米的路徑。

名稱為“一種全自動激光劃片設(shè)備”的中國專利申請CN201520297677公開了另一種激光切割方法，其中首先在借助于激光輻射在材料表面燒蝕劃片，然后利用機械方法施加外力，使得材料沿激光燒蝕劃片路徑分離。該方法同樣容易在材料中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、甚至裂紋，而且該方法也不適于切割曲線路徑。

名稱為“用于借助于激光輻射去蝕脆硬材料的方法”的國際公開“WO2014/154337A3”公開了又一種激光切割方法，其中基于克爾效應(yīng)在脆硬材料中自聚焦，使得在脆硬材料中造成高寬比極高的絲狀燒蝕。但是，該方法仍然會造成內(nèi)應(yīng)力、甚至裂縫。而且，當(dāng)切割曲線路徑、尤其是曲率半徑小于10毫米的曲線路徑時，這些絲狀燒蝕必須靠得很近，使得脆硬材料沿著去線切割路徑分離，這顯著增加了加工成本并降低了良品率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種用于借助于激光輻射去蝕(例如裁切、刮削或鉆孔)脆硬材料的方法和裝置，其中借助于該方法或該裝置能夠在脆硬材料上(表面及內(nèi)部)產(chǎn)生能夠提高切割效率的內(nèi)應(yīng)力或微裂紋，同時避免或顯著減小影響產(chǎn)品品質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，從而顯著提高經(jīng)加工的脆硬材料的品質(zhì)并提高加工效率和加工精度。

在本發(fā)明的第一方面，該任務(wù)通過一種用于借助于激光輻射去蝕脆硬材料的方法來解決，該方法包括下列步驟：

將激光輻射入射到脆硬材料上以形成非圓形光斑，其中從激光與脆硬材料的作用面的表面法向上來看，非圓形光斑的長度方向與激光輻射去蝕脆硬材料的去蝕方向重合；以及

沿著去蝕方向去蝕脆硬材料。

在此應(yīng)當(dāng)指出，“將激光輻射入射到脆硬材料上”應(yīng)當(dāng)廣義地理解，其涵蓋了將激光輻射入射到脆硬材料的表面上以及脆硬材料中這兩種情況。

該方法所基于的思想和優(yōu)點如下。發(fā)明人獨到地發(fā)現(xiàn)，在激光加工中通常使用的圓形激光束的各向同性將導(dǎo)致微裂紋隨機產(chǎn)生。參見圖1，沿著去蝕路徑102前進的圓形激光光斑103將產(chǎn)生隨機分布的微裂紋101，這些微裂紋101將隨機地分布在各個方向上，使得微裂紋的方向?qū)⒂袠O大的幾率與切割或裂片方向不重合，因此在切割或劃片完成后仍然殘留在經(jīng)加工的脆硬材料中，從而可能降低產(chǎn)品的強度和切割質(zhì)量、甚至導(dǎo)致產(chǎn)品裂損；同時隨機的微裂紋有可能使得分離方向偏離劃片方向，使得難以尤其是沿曲線路徑切割脆硬材料。同時，發(fā)明人還獨到地發(fā)現(xiàn)，通過根據(jù)本發(fā)明利用激光束的非圓形光斑切割脆硬材料并使非圓形光斑的主軸與切割路徑從激光與脆硬材料的作用面的表面法向上來看重合，可以使非圓形光斑在脆硬材料中產(chǎn)生的非對稱應(yīng)力基本上沿切割方向分布，從而有利于最大限度的降低微裂紋沿切割方向以外的方向或劃片方向以外的方向的產(chǎn)生及傳播，進而精確控制裂片方向沿非對稱應(yīng)力施加方向傳播。因此，利用根據(jù)本發(fā)明的方法，也可以精確控制脆硬材料的曲線去蝕。簡言之，利用根據(jù)本發(fā)明的方法，能夠在脆硬材料內(nèi)產(chǎn)生能夠加快切割效率的內(nèi)應(yīng)力或裂縫，同時避免或顯著減小影響產(chǎn)品品質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，從 而顯著提高經(jīng)加工的脆硬材料的品質(zhì)并提高加工效率和加工精度。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，通過多軸聯(lián)動來實現(xiàn)非圓形光斑的長度方向與去蝕方向的重合。通過多軸聯(lián)動，可以較好地使非圓形光斑的長度方向與去蝕方向重合。

在本發(fā)明的另一擴展方案中規(guī)定，非圓形光斑為下列各項之一：橢圓形光斑、矩形光斑、以及條形光斑。這些形狀的光斑是易于通過常規(guī)光學(xué)手段產(chǎn)生的，因此可以以較低成本來實現(xiàn)。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，非圓形光斑的長寬比大于或等于1.5。通過非圓形光斑的該長寬比，可以實現(xiàn)微裂紋更多地沿去蝕方向分布。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，非圓形光斑通過光路元件的非對稱對準(zhǔn)而產(chǎn)生。光路元件的非對稱對準(zhǔn)例如包括光路元件在光路上偏心布置、或者偏折。其它的非對稱對準(zhǔn)也是可以設(shè)想的。

在本發(fā)明的另一擴展方案中規(guī)定，非圓形光斑借助于波束成形器件產(chǎn)生。波束成形器件可以位于激光加工設(shè)備的波束傳播/傳導(dǎo)路徑中、在聚焦透鏡或掃描振鏡之前、或直接與聚焦透鏡或掃描振鏡集成。波束成形器件包括但不限于非圓形光學(xué)元件(空間濾波狹縫、單柱面鏡、雙柱面鏡、變形棱鏡等)、衍射光學(xué)元件、空間分束以及光柵。其它的波束成形器件也是可設(shè)想的。波束成形器件可以通過例如同步旋轉(zhuǎn)來使非圓形光斑的長度方向與去蝕路徑實時地保持重合。

在本發(fā)明的另一擴展方案中規(guī)定，非圓形光斑通過組合和排列多個相同或不同的光斑而產(chǎn)生。例如，非圓形光斑可以借助于多個相同光斑(例如圓形光斑)的組合(例如線形排列)來實現(xiàn)，這種方式是易于實現(xiàn)的。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，通過調(diào)整長寬比來調(diào)整在去蝕脆硬材料時在脆硬材料中產(chǎn)生裂紋的幾率以及所產(chǎn)生的裂紋的空間分布。例如，大的長寬比將有利于微裂紋在去蝕方向上的分布，但是這將增加非圓形光斑的長度方向與去蝕方向重合的難度，因此可以根據(jù)加工精度要求和加工成本要求合適地選擇所述長寬比。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，脆硬材料包括玻璃、藍寶石、陶瓷、大理石、以及花崗石。其它脆硬材料也是可設(shè)想的。

在本發(fā)明的第二方面，前述任務(wù)通過一種用于借助于激光輻射去 蝕脆硬材料的裝置來解決，該裝置包括：

激光器，其被配置為發(fā)射激光輻射；

光學(xué)器件，其被配置為對激光輻射進行引導(dǎo)，使得激光輻射入射到脆硬材料上形成的光斑為非圓形；以及

移動裝置，其被配置為移動激光器、光學(xué)器件和/或脆硬材料，使得從激光與脆硬材料的作用面的表面法向上來看，非圓形光斑的長度方向與激光輻射去蝕脆硬材料的去蝕方向重合。

該裝置所基于的原理及其優(yōu)點參見針對該方法的說明。利用根據(jù)本發(fā)明的裝置，同樣能夠在脆硬材料內(nèi)產(chǎn)生能夠加快切割效率的內(nèi)應(yīng)力或裂縫，同時避免或顯著減小影響產(chǎn)品品質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，從而顯著提高經(jīng)加工的脆硬材料的品質(zhì)并提高加工效率和加工精度。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，非圓形光斑的長寬比大于或等于1.5。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，通過光學(xué)器件包括下列各項之一：波束成形器件、非對稱地對準(zhǔn)的光路器件、以及用于組合多個激光器的激光輻射以形成非圓形光斑的裝置。波束成形器件可以通過例如同步旋轉(zhuǎn)以使非圓形光斑的長度方向與去蝕路徑實時地保持重合。

在本發(fā)明的另一擴展方案中規(guī)定，通過移動裝置包括下列各項之一：多軸聯(lián)動裝置、以及機器手臂。

附圖說明

下面參考附圖根據(jù)多個實施例來進一步闡述本發(fā)明。附圖：

圖1示出了在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)采用圓形激光光斑去蝕脆硬材料時產(chǎn)生的微裂紋的分布；

圖2示出了在根據(jù)本發(fā)明的方法中所使用的非圓形光斑和去蝕路徑；

圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明的方法中所使用的多種非圓形光斑、去蝕路徑以及所產(chǎn)生的微裂紋；

圖4示出了通過光路元件的非對稱對準(zhǔn)產(chǎn)生非圓形光斑的示意圖；以及

圖5示出了通過將波束成形器件與光路元件相組合以產(chǎn)生非圓形 光斑的示意圖。

具體實施方式

圖2示出了在根據(jù)本發(fā)明的方法中所使用的非圓形光斑和去蝕路徑。如圖2所示，激光輻射入射到脆硬材料(未示出)上以形成非圓形光斑、在此為橢圓形光斑202。應(yīng)當(dāng)指出，橢圓形光斑202僅僅是示例性的，其它非圓形形狀也是也可設(shè)想的，例如矩形光斑和條形光斑(參見圖3)。橢圓形光斑202的長度方向203從激光與脆硬材料的作用面的表面法向上來看與去蝕方向201重合。長度方向203是指非圓形光斑的長度所在的方向，例如橢圓的長軸方向、矩形的長度方向。非圓形光斑的長度和寬度之比、即長寬比(亦稱長徑比或縱橫比)優(yōu)選大于1.5。

應(yīng)當(dāng)指出，“長度方向203從激光與脆硬材料的作用面的表面法向上來看與去蝕方向201重合”是指，長度方向203和去蝕方向201在激光與脆硬材料的作用面的表面法向上的投影是重合的，但是它們在脆硬材料的厚度方向上不一定重合。例如，當(dāng)去蝕方向201為沿著脆硬材料的表面方向時、例如水平切割時，長度方向203和去蝕方向201完全重合。而當(dāng)去蝕方向201為斜向于脆硬材料的表面向內(nèi)時、例如當(dāng)鉆孔或斜向切割時，則長度方向203和去蝕方向201在激光與脆硬材料的作用面的表面法向上的投影是重合的，但是它們在脆硬材料的厚度方向上不重合。

所述重合可以通過多軸聯(lián)動裝置來實現(xiàn)。例如，將激光器和脆硬材料分別布置在多軸聯(lián)動裝置的不同旋轉(zhuǎn)軸上以便它們能夠相對移動和旋轉(zhuǎn)，從而通過所述移動和旋轉(zhuǎn)來時刻保持前述重合。此外，在采用波束成形器件來形成非圓形光斑的情況下，波束成形器件可以通過例如同步旋轉(zhuǎn)以使非圓形光斑的長度方向與去蝕路徑實時地保持重合。

在本發(fā)明中，激光器具有下列優(yōu)選參數(shù)：激光束聚焦通量：大于10微焦耳每平方厘米(μJ/cm²)；激光器波長：紫外200nm到400nm，可見500nm到600nm，近紅外900nm到1100nm，紅外4000nm到6000nm，9000nm到11000nm；激光器脈沖寬度：0.1ps到10ns；。以上優(yōu)選參數(shù)能夠提高加工精度、減小微裂紋的產(chǎn)生。但其它參數(shù)是可設(shè)想的。

通過根據(jù)本發(fā)明使非圓形光斑的長度方向203和去蝕方向201在激光與脆硬材料的作用面的表面法向上的投影重合，能夠在脆硬材料內(nèi)產(chǎn)生能夠加快切割效率的內(nèi)應(yīng)力或微裂紋，同時避免或顯著減小影響產(chǎn)品品質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，從而顯著提高經(jīng)加工的脆硬材料的品質(zhì)并提高加工效率和加工精度。具體微裂紋產(chǎn)生參見結(jié)合圖3的描述。

圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明的方法中所使用的多種非圓形光斑、去蝕路徑以及所產(chǎn)生的微裂紋。在圖3中示出了激光輻射的多種非圓形光斑302、在此為橢圓形光斑、矩形光斑和非圓形組合光斑，其中這些非圓形光斑通過光路元件的非對稱對準(zhǔn)或者波束成形器件產(chǎn)生，而組合非圓形光斑也可以通過組合多個光斑、例如圓形光斑而產(chǎn)生。

圖3所示，通過根據(jù)本發(fā)明使非圓形光斑302的長度方向和去蝕方向301在激光與脆硬材料的作用面的表面法向上的投影重合，可以使微裂紋303主要沿著去蝕(例如裁切、刮削、鉆孔)脆硬材料的去蝕方向產(chǎn)生，而基本上不產(chǎn)生其它方向的微裂紋，從而一方面使這些微裂紋303有利于脆硬材料的去蝕，同時減小了影響產(chǎn)品質(zhì)量、例如使脆硬材料發(fā)生碎裂的微裂紋的產(chǎn)生，使得既提高了加工效率、又提高了所加工的產(chǎn)品的質(zhì)量和加工精度。

圖4示出了通過光路元件的非對稱對準(zhǔn)產(chǎn)生非圓形光斑的示意圖。如圖4所示，激光束形式的激光輻射401入射到光路元件402、例如聚焦透鏡或掃描振鏡中。在最左邊的光路元件402中，由于光路元件402在光路上對準(zhǔn)，因此將產(chǎn)生圓形光斑403。而在右邊的兩個光路元件402中，由于光路元件402在光路上未對準(zhǔn)、例如光路偏心、偏折，而將產(chǎn)生非圓形、例如橢圓形的光斑403。

圖5示出了通過將波束成形器件與光路元件相組合以產(chǎn)生非圓形光束的示意圖。如圖5所示，激光束形式的激光輻射501首先入射到波束成形器件502中。波束成形器件502例如包括空間濾波狹縫、單柱面鏡、雙柱面鏡、變形棱鏡等)、衍射光學(xué)元件、空間分束、光柵。經(jīng)過光束成形的激光輻射501然后進入到光路元件503中。在圖5中，光路元件503在光路上對準(zhǔn)，但是應(yīng)當(dāng)指出，這僅僅是示意性的，光路元件503也可以在光路上未對準(zhǔn)，以便與波束成形器件502協(xié)作以產(chǎn)生所期望形狀的非圓形光束或光斑。經(jīng)過光路元件502引導(dǎo)的激光 輻射501最后產(chǎn)生非圓形激光束或光斑504，如圖5所示分別為橢圓形光斑A、矩形光斑B和組合光斑C。

雖然本發(fā)明的一些實施方式已經(jīng)在本申請文件中予以了描述，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，這些實施方式僅僅是作為示例示出的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到眾多的變型方案、替代方案和改進方案而不超出本發(fā)明的范圍。所附權(quán)利要求書旨在限定本發(fā)明的范圍，并藉此涵蓋這些權(quán)利要求本身及其等同變換的范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)。