[發明專利]一種硬脆材料的超快激光加工方法

有效

• 申請號: 202110507139.5
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113333972B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 陶海征;吳枋峻;熊思怡
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/38;B23K26/402
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 李欣榮

本發明公開了一種用于硬脆材料的超快激光加工方法，首先通過光束整形將脈沖激光器輸出的高斯光束轉換為能量集中且分布更均勻的光束(如平頂光束、貝塞爾光束等)；然后通過對激光加工參數的控制，在激光輻照區域形成多孔褶皺結構；再通過移動激光聚焦位置實現對硬脆材料的切割、鉆孔加工。本發明通過光束整形并結合激光加工參數優化手段，可有效提高加工精度和斷面質量；采用本發明所述方法加工的玻璃樣品具有截面光滑、熱影響區小和節能環保等優勢。

技術領域

本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種硬脆材料的超快激光加工方法。

背景技術

智能時代的發展開拓了各類材料在日常生活和科技發展各領域的應用和研究，如光學晶體用作紫外準分子激光器和某些紅外激光器的輸出窗口，透鏡；玻璃作為顯示面板原材料用于消費電子領域；微晶玻璃作為大型望遠鏡的鏡坯用于天文觀測，作為激光陀螺的腔體和反射鏡原材料，用于慣性導航；先進陶瓷材料作為特殊軸承用于航空航天領域。為了滿足上述材料在實際應用中的需求，如何實現高效、高質量的加工效果成為了至關重要和亟待解決的問題。

鑒于材料固有的高硬度、高脆性內在特征，裂紋極易產生并隨機擴展，成為了實現高效、高精度加工亟待攻克的難關之一。一般來說，硬脆材料的傳統加工技術主要包括機械切割、鉆孔、雕刻等，需要進一步結合化學刻蝕或機械拋光等方式以滿足需求。整個加工過程冗長復雜、成本昂貴且環境污染較大，同時難以實現小尺寸硬脆材料在三維方向上任意形式的高效、高質量加工。

超快激光作為一種新型加工技術手段，作用于硬脆材料時，因單個脈沖持續時間短于電子-聲子耦合時間，可以通過非線性吸收將能量聚焦，因此顯著減小了熱影響區，足以實現微納尺度的高精度加工。公開號為CN111618454A的專利，將激光脈沖串經貝塞爾切割頭聚焦于透明材料的待加工位置，并在其內部形成三個以上的聚焦點，通過移動聚焦位置實現切割；該方法通過優化單個脈沖串中的脈沖數、激光脈沖寬度、峰值功率和相鄰脈沖間的時間，有效利用前一脈沖的余熱，產生并提高微裂紋的長度，實現對材料的直線和各種異形切割；但該加工方法中微裂紋的擴展難以控制，極易產生損傷；由于不同聚焦點誘導的微裂紋需要連接在一起，未實現小崩邊、光滑的切割效果還需要借助高精度、高穩定性的移動平臺；另外利用余熱還無法避免一定的熱影響區，需要通過進一步進行機械拋光或化學刻蝕降低熱損傷。公開號為CN112142315A的專利中，通過光束整形將所得貝塞爾超快激光束聚焦于厚玻璃的內部，調整能量密度至待加工玻璃的光學損傷閾值以上進而產生穿孔，再結合其他機械應力分離方式、CO₂應力分離方式和化學蝕刻方式中的一種或多種方式組合的形式，實現玻璃的完全分離；這種穿孔加工方法需要較高的激光能量，不容易保證加工質量，同時若干個穿孔輪廓線的依次形成需要一定的時間，而且后續預置的玻璃分離方式對于加工效果同樣至關重要；整體加工過程復雜繁瑣，成本相對較高且無法避免熱影響區。

發明內容

本發明的主要目的在于針對現有技術存在的不足，提供一種用于硬脆材料的超快激光加工方法，有效提高激光加工玻璃材料的精度和效率。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

一種硬脆材料的超快激光加工方法，包括如下步驟：由激光器調制提供脈沖激光，將脈沖激光器輸出的高斯光束通過光束整形轉換為能量集中且分布更均勻的平頂光束或貝塞爾光束，并通過聚焦物鏡最終聚焦于玻璃材料表面；調節激光加工參數直至在激光輻照區域形成多孔褶皺結構，通過移動激光聚焦位置，再結合應力分離方式，實現對硬脆材料的加工；其中激光輻照區域形成的多孔褶皺結構具有密集分布的微米級甚至納米級孔洞結構(因其結構類似多孔泡沫材料，將其稱為“多孔泡沫區”)，使激光輻照區與未輻照區形成明晰陡峭的界面，能有效調解加工過程中產生的熱應力，減少崩邊，進而獲得高質量激光加工效果。

優選的，所述平頂光束或貝塞爾光束初始聚焦于硬脆材料的下表面，可有效避免前期形成的多孔泡沫結構對后續激光的傳輸路徑和強度分布造成的不利影響。