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紫外激光切割机切割玻璃应用

发布时间:2018-09-26 来源:元禄光电

在玻璃内雕刻特殊形状的高精度中空结构中传统的机械加工手段是无法实现的,这就需要用到新型的紫外激光切割技术。

 

激光束从玻璃的上表面入射,聚焦到与入射面相对的另一侧的内表面。与玻璃亚表面雕刻不同,被激光剥离出来的基底材料会很容易地飘离加工区域。通过适当而精确的控制激光焦点的位置,就可以实现在玻璃内任意一个截面进行高精度并具重复性的打孔。这种加工工艺主要具有以下几个优点:

 

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由于加工中剥离出来的玻璃粉尘不影响到激光束,避免了粉尘引起的等离子体激发过程,进而避免了对加工质量的影响,从而保证加工的高度精确和可重复性;孔的深宽比可以分别独立选择而几乎不受任何限制,也不会有精度上的损失;正如图中所示的高宽比达到50的孔,深宽比更大的孔也能容易实现;孔的横载面可以沿着孔的深度方向变化,孔的中部被展宽,形成类似金字塔样的结构,而这也是其它加工手段所无法实现的。通过层层剥离切割,可以在玻璃或类似玻璃的材料中加工出几乎任意一种三维结构。超精玻璃钻孔, 横截面随深度变化的孔(图所示样品的孔中添加了彩色液体以易于观察)。

 

在以往的激光玻璃加工中,通常都只使用远红外或紫外激光。这是由于玻璃对激光的吸收局限于远红外和紫外波段(参图). 而固体激光器的激光波长为1µm左右, 它的二倍频波段在玻璃内则几乎是完全透明的,因此只有极少一部分激光能量能被吸收并转换为热。

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如果能够把短脉宽高强度的激光脉冲聚焦成一个很小的点,在焦点处就可以达到很高的强度(功率密度)。当焦点处的光强超过阈值Is时,会引发介质中的原本很少的自由载流子产生雪崩效应,密度急剧增加,引起介质对电磁辐射吸收系数的大幅度增加。这时,被吸收的激光能量使一小部分材料融化并蒸发。这一过程的特别之处在于,激光与材料的相互作用仅仅局限于焦点处,焦点以外的材料不会被激光影响。

 

这种非线性吸收过程的阈值强度Is非常高,通常需达到109~1010W/cm2。为了达到如此高的强度,需要满足两个条件:

其一,激光的光束质量要足够好,以保证能将其聚焦成很小的点;

其二,激光器需工作于调Q模式,以输出高峰值功率的激光脉冲。半导体激光器泵浦的调Q固体激光器结合了上述两个特点,并且成熟的商业化产品已推出市场多年,其中常见的是Nd:YAGNd:YVO4激光器。

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上图所示的是钻有1000多个锥形孔,厚为2mm的玻璃晶元样品,钻孔速度为5/孔。全尺寸的触摸屏面板切割,以及三维结构的太阳能玻璃聚光器的切割,也可以通过逐层扫描切割实现。下图是玻璃切割的样品。以厚度为0.7mm的触摸屏玻璃切割为例,等效紫外激光切割机线速度可以达到10mm/s

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