一种激光切割透明脆性材料的裂纹诱导方法与流程

1.本发明涉及超快激光微纳加工技术领域，尤其涉及一种激光切割透明脆性材料的裂纹诱导方法。


背景技术：

2.透明脆性材料具有热膨胀系数小、硬度高、化学性质稳定、强度高及光电性能优异等特点，在光电子信息、建筑、航空航天及国防等领域中具有十分广泛的应用。显然，透明脆性材料要形成所需成型的产品，必须要经过切割等加工处理过程。随着电子产品的质量标准提高、结构尺寸缩小和功能需求增加，对透明脆性材料切割加工的精度、质量和效率要求也越来越高。因此，提高透明脆性材料切割效率的同时，保证切割精度和质量是目前透明脆性材料切割加工追求的目标。
3.然而，透明脆性材料采用传统机械方法切割分离时，刀具与材料直接接触，会产生较大的应力，由于脆性材料抵抗冲击载荷的能力差，发生微小变形就会造成破坏，因此不可避免地会在切割表面形成崩边和微裂纹等缺陷，严重的甚至会直接导致样品的碎裂，这不仅会影响切割后材料的强度和性能，切割产生的碎屑也容易污染材料，增加工序的复杂度和难度。
4.激光切割是一种无接触式的加工方式，相对于机械方法具有损伤小、切缝窄、精度高、加工灵活等特点，能够有效避免传统切割方法中存在的问题，已被广泛应用于多种材料的精密切割。然而，对于透明材料而言，一般连续或长脉宽激光不能直接与其发生相互作用，无法实施切割加工，超快激光（皮秒、飞秒）具有脉冲宽度极短、峰值功率极高的特点，可直接通过非线性效应与透明材料发生反应，在透明脆性材料加工方面具有无可比拟的优势。但是，常规的激光切割方法受制于高斯分布及其聚焦特性，与材料相互作用区域局限于焦深很浅的焦点位置附近，单次加工区域及其有限，效率很低，而且切割加工主要靠融化或气化去除，切割边粗糙度大。
5.贝塞尔光束是一种无衍射光束，在一定距离内可以随着距离增加而光斑保持不变，即可认为其具有较长的焦深，这对于透明脆性材料的切割加工来说是一种绝佳的工具。通过调节贝塞尔光束的焦深长度，使其覆盖材料厚度，可直接与材料发生反应在其中生成一条狭长作用区，作用区由于激光能量的沉积产生热应力，进而导致微裂纹的产生，随着贝塞尔光束的移动扫描，成排的激光作用区产生的裂纹会形成扩展，最终实现对材料的切割分离。然而，对于单点贝塞尔光束形成的作用区来说，由于热应力释放的方向是朝向四周的，生成微裂纹的方向也是随机向周围延伸的，各贝塞尔光束形成作用区间的裂纹扩展就存在不可控性，从而导致切割边存在崩边或粗糙度较大的情况，影响切割效果。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种激光切割透明脆性材料的裂纹诱导方法，可实现对贝塞尔光束作用区裂纹进行可控诱导，不但提高了切割边质量，减小了
粗糙度，还提升了切割效率，具有很强的工程实用性。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种激光切割透明脆性材料的裂纹诱导方法，包括以下步骤：s1、生成多点贝塞尔光束；s2、将多点贝塞尔光束作用于待切割材料，在待切割材料表面产生一串聚焦光斑；s3、开展切割作业，使切割方向沿聚焦光斑中心连线方向，实现对裂纹可控诱导。
8.进一步的，生成多点贝塞尔光束的步骤如下：s11、生成贝塞尔光束；s12、对贝塞尔光束进行压缩整形，同时在贝塞尔光束的光路上对其进行分束整形。
9.进一步的，生成多点贝塞尔光束的装置包括贝塞尔光束生成系统、4f系统以及整形器件；贝塞尔光束生成系统用于生成贝塞尔光束；4f系统设置在贝塞尔光束生成系统后，用于对贝塞尔光束进行压缩整形；整形器件设置在4f系统前或中或后，用于将对贝塞尔光束进行分束整形。
10.进一步的，所述4f系统中两透镜的焦距分别为f1和f2，两者的间距为f1 f2，且f1＞f2。
11.进一步的，所述整形器件为衍射光学元件或光栅分束器。
12.进一步的，所述贝塞尔光束生成系统包括激光器、扩束准直镜和锥透镜；扩束准直镜设置在激光器后，用于将激光器输出的激光束进行扩束准直；锥透镜设置在扩束准直镜后，用于将经过扩束准直镜的激光束转变为贝塞尔光束。
13.进一步的，所述激光器发出的激光束为高斯光束。
14.进一步的，所述激光器为超快激光器，其脉冲宽度小于12ps。
15.进一步的，所述切割作业的装置包括样品台、位移台和工控机，样品台用于固定待切割材料，位移台用于承载样品台按照预设切割轨迹移动，工控机与样品台、位移台相连，对二者进行实时控制。
16.本发明的有益效果为：相比于现有技术，采用激光切割透明脆性材料时，根据该裂纹诱导方法可实现对贝塞尔光束作用区裂纹进行可控诱导，不但提高了切割边质量，减小了粗糙度，还提升了切割效率，具有很强的工程实用性。
附图说明
17.图1为待加工材料上裂纹生成状态对比图：（a）单点贝塞尔光束切割；（b）多点贝塞尔光束切割；图2为生成多点贝塞尔光束的装置的结构示意图。
18.标注说明：1、激光器，2、扩束准直镜，3、锥透镜，4、整形器件，5、第一透镜，6、第二透镜，7、反射镜。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.需要说明的是，激光切割透明脆性材料，即所加工材料对所采用光源透明，如此可保证激光能穿透材料，实现一次性切割，且所加工材料为脆性材料，其抗压强度远大于抗拉强度，在受到激光作用区诱导的热应力时，能产生微裂纹。上述透明脆性材料如玻璃、石英、蓝宝石等。
21.下面对本发明的实施方法和装置进行详细说明。
22.一种激光切割透明脆性材料的裂纹诱导方法，包括以下步骤：s1、生成多点贝塞尔光束；s2、将多点贝塞尔光束作用于待切割材料，在待切割材料表面产生一串聚焦光斑；s3、开展切割作业，使切割方向沿聚焦光斑中心连线方向，实现对裂纹可控诱导。
23.其中，生成多点贝塞尔光束的步骤如下：s11、生成贝塞尔光束；s12、对贝塞尔光束进行压缩整形，同时在贝塞尔光束的光路上对其进行分束整形。
24.请参阅图1中的（a）所示，单点贝塞尔光束作用于待切割材料的情况。由于各作用点是分立的，相互之间有一定的时间间隔，该时间间隔至少为数十纳秒，远大于脉冲持续时间，因此后一个贝塞尔光束与材料产生相互反应之前，前一个贝塞尔光束已经完成了能量累积和扩散，已经形成了温度应力场并诱导了微裂纹。由于实际加工系统中光束质量并非是完美的，能量分布也不是完全均匀的，而且材料由于自身存在的缺陷各方向上的抗拉阈值也可能存在差异，因而最终诱导的微裂纹是一个综合光束能量分布和材料自身性质的复杂随机过程，各贝塞尔光束产生的微裂纹相互连接延伸，即可实现对材料的切割分离，显然，此时的切割边并不是完全平直的，而是存在锯齿状或波纹状起伏，影响切割边的粗糙度。
25.请参阅图1中的（b）所示，多点贝塞尔光束作用于待切割材料的情况。与单点贝塞尔光束不同，多点贝塞尔光束的能量分布不再是一个圆形，而是由多个贝塞尔光束共同组成一个中心能量沿多点成排方向延伸的椭圆形能量分布。如此能量分布的贝塞尔光束在材料上也会形成一个类似温度场分布，由温度梯度诱导热应力的方向自然也与中心能量方向一致。也就是说，多点贝塞尔光束共同作用于材料，其产生的温度场分布不再是一个均匀分布的圆形，而是一个椭圆形的温度场分布，其应力场沿椭圆形的温度场的长轴方向延伸。
26.开展切割作业，使切割方向沿多点贝塞尔光束在待切割材料表面所产生聚焦光斑中心连线方向，也就是沿椭圆形的温度场的长轴方向，即可使切割方向沿与应力场延伸方向保持一致，避免了微裂纹随机生成，进而实现对裂纹的可控诱导。
27.由于消除了随机裂纹生成，可控裂纹的平直度较高，切割边不会出现波浪状形貌，可减小切割边的粗糙度。另外，多点贝塞尔单次诱导裂纹长度较单点贝塞尔情况更长，因而可实现更高效率的切割。
28.请参阅图2所示，上述技术方案，生成多点贝塞尔光束的装置包括贝塞尔光束生成
系统、4f系统以及整形器件4。贝塞尔光束生成系统用于生成贝塞尔光束，4f系统设置在贝塞尔光束生成系统后，用于对贝塞尔光束进行压缩整形，以压缩贝塞尔光束主瓣直径和焦深并调节其工作距离，使其满足精细化加工需求，整形器件4设置在4f系统前或中或后，用于将对贝塞尔光束进行分束整形。
29.其中，贝塞尔光束生成系统包括激光器1、扩束准直镜2和锥透镜3。扩束准直镜2设置在激光器1后，用于将激光器1输出的激光束进行扩束准直，锥透镜3设置在扩束准直镜2后，用于将经过扩束准直镜2的激光束转变为贝塞尔光束。
30.为获得贝塞尔光束，采用超短脉冲激光作为加工光源。具体的，激光器1为超快激光器，其脉冲宽度小于12ps。
31.作为其中一种实施方式，激光器1发出的激光束为高斯光束。
32.其中，4f系统中两透镜（第一透镜5和第二透镜6）的焦距分别为f1和f2，两者的间距为f1 f2，且f1＞f2。按照上述设计，4f系统可以压缩贝塞尔光束，压缩比例为f2/f1，最终贝塞尔光束的工作距离由第二透镜6的焦距 f2 决定。
33.其中，整形器件4为衍射光学元件或光栅分束器。
34.在生成多点贝塞尔光束的装置中，各光学组件之间按照需求使用反射镜7进行光传输。
35.上述技术方案，切割作业的装置包括样品台、位移台和工控机，样品台用于固定待切割材料，位移台用于承载样品台按照预设切割轨迹移动，工控机与样品台、位移台相连，对二者进行实时控制。
36.采用激光切割透明脆性材料时，单点贝塞尔光束的切割边为波浪状形貌，而多点贝塞尔光束的切割边为平直状形貌，以此可以验证本发明所提供方法的有效性。
37.总的来说，本发明可实现对贝塞尔光束作用区裂纹进行可控诱导，不但提高了切割边质量，减小了粗糙度，还提升了切割效率，具有很强的工程实用性。
38.本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。