[發明專利]一種切割由脆性材料制成的工件的方法

在審

• 申請號: 202210239106.1
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN114535782A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: M·R·格林伯格;D·M·高迪奧西;J·戴勒
• 申請（專利權）人: 相干公司
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00;B23K26/06;B23K26/0622;B23K26/073;B23K26/70;C03B33/09
• 代理公司: 余姚德盛專利代理事務所(普通合伙) 33239
• 代理人: 周積德

用于切割脆性材料的設備包括擴束器(18)，與非球面聚焦透鏡(22)、孔徑(CA)和產生脈沖激光輻射束(14)的激光源(12)相結合。非球面透鏡(22)和孔徑(CA)將脈沖激光輻射束形成為沿著非球面聚焦透鏡(22)的光軸具有均勻強度分布的細長焦點。細長焦點延伸穿過由脆性材料制成的工件(38)的整個厚度。通過沿切割線描繪光軸來切割工件(38)。脈沖激光輻射的每個脈沖或脈沖串都會在工件(38)的整個厚度上產生延伸的缺陷。

本發明是申請號為201780069421.1、申請日為2017年11月13日、發明名稱為“利用非球面聚焦設備和擴束器切割脆性材料的激光設備”的專利的分案申請。

技術領域

本發明一般涉及透明脆性材料的激光加工。本發明特別涉及使用具有約20皮秒或更短的脈沖持續時間的形成細長焦點的超短脈沖激光輻射束切割玻璃工件。

背景技術

激光加工越來越多地用于對各種材料進行切割，鉆孔，標記和劃線，包括玻璃和藍寶石等脆性材料。傳統的機械加工產生不希望的缺陷，例如當加工后的材料受到應力時可能傳播的微裂紋，從而降低和削弱加工的材料。使用聚焦的脈沖激光輻射束對脆性材料進行激光加工，可產生精確的切口和孔，具有高質量的邊緣和壁，同時最大限度地減少不需要的缺陷的形成。工業進步需要對越來越多的脆性材料進行激光加工，同時要求提高加工速度和精度。

透明脆性材料通過激光輻射的非線性吸收與聚焦的脈沖激光輻射束相互作用。脈沖激光輻射可以包括一系列單個脈沖或快速脈沖串。每個單個脈沖或脈沖串在光束焦點處在透明脆性材料中產生缺陷。通過沿著工件中的切割路徑平移聚焦的脈沖激光輻射束來產生一系列缺陷，從而削弱材料。然后，薄的工件可以自發地分離，而厚的工件可以在施加應力的附加步驟中分離。一種這樣的方法是沿著切割路徑施加具有被材料吸收的波長的激光束，這通過加熱引起機械應力。

近年來，已開發出化學強化玻璃，并廣泛用作消費電子裝置的顯示屏的覆蓋玻璃。通過離子交換過程實現化學強化。將硅酸鹽玻璃板浸入含有鉀離子(K⁺)的鹽溶液中。較大的鉀離子代替位于玻璃表面附近的較小的鈉離子(Na⁺)，從而在玻璃的表面層內引起壓縮。在這些表面層之間，玻璃內部處于拉伸狀態，從而補償表面壓縮。高表面層壓縮使化學強化玻璃極硬(莫氏硬度約為6.5)，并且耐刮擦和機械沖擊。藍寶石(莫氏9級)是一種用于某些裝置的替代硬質玻璃材料。

用于消費電子裝置的覆蓋玻璃通常具有約300微米(μm)至1.1毫米(mm)的厚度。聚焦良好的脈沖激光輻射產生的缺陷通常延伸到幾十微米深。切割工件的整個厚度需要在改變聚焦深度的同時沿著切割路徑多次掃描聚焦的激光輻射。

已經使用各種手段開發了商業激光加工工藝以產生長焦點，從而減少了沿切割路徑所需的掃描次數并提高了激光切割設備的生產率。使用軸棱鏡或等效相位掩模作為聚焦元件，從具有高斯橫模的光束產生“貝塞爾光束”。軸棱鏡是關于光軸旋轉對稱的錐形棱鏡。相位掩模是一種衍射光學元件(DOE)，并且制造起來通常相當昂貴。在實踐中，通常需要額外的望遠鏡來對貝塞爾光束進行去放大，并消除由于軸棱鏡或DOE的不完美制造而導致的嚴重的強度調制。使用貝塞爾光束產生的缺陷可能具有衛星結構，這可能導致質量差的切割邊緣。

產生長焦點的另一種方法是產生自引導的“細絲”。由于折射率的非線性分量，在材料中具有高強度的聚焦的脈沖激光輻射束變得進一步聚焦。非線性聚焦和強度之間的正反饋產生等離子體。等離子體內的較低折射率導致散焦。聚焦和散焦之間的平衡維持細絲內的等離子體狀態。細絲的傳播沿著聚焦元件的光軸在材料中產生空隙。細絲激光加工需要高脈沖能量，接近當前一代超短脈沖激光源的實際限制，并精確控制所有光束參數。材料特性的相對較小的變化(例如正常的材料不均勻性)和光束參數(例如，拍攝間噪聲和激光-激光束質量)可能導致細絲激光切割過程中失去控制。

需要一種告效的激光切割方法，該方法將沿著使用較低脈沖能量的切割路徑單次切割強化玻璃或藍寶石。優選地，該方法應該是確定性的并且對材料特性和光束參數的變化不敏感。