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皮秒激光切割機切割玻璃原理解析

皮秒激光切割機切割玻璃原理解析

作者:
天弘激光
來源:
天弘激光
發布時間:
2020/03/23
【摘要】:
玻璃激光切割是一項易于控制的非接觸式的少污染技術,為客戶帶來極大便利;同時在高速切割下能保證邊緣整齊、垂直性佳和內損傷低的優勢,正成為玻璃切割行業的新型解決方案。尤其是高精度切割,皮秒級超快激光器因極窄的脈寬而展現出極大的優勢,利用低熱能擴散的特點,在熱傳導到周邊材料前完成材料打斷,在脆性材料切割中表現出良好的效果。
玻璃激光切割是一項易于控制的非接觸式的少污染技術,為客戶帶來極大便利;同時在高速切割下能保證邊緣整齊、垂直性佳和內損傷低的優勢,正成為玻璃切割行業的新型解決方案。尤其是高精度切割,皮秒級超快激光器因極窄的脈寬而展現出極大的優勢,利用低熱能擴散的特點,在熱傳導到周邊材料前完成材料打斷,在脆性材料切割中表現出良好的效果。
 
基本加工原理
 
激光切割效果與材料對波長的吸收深度有關系,根據吸光深度分為表面吸收和體吸收。在圖1所示的第四代康寧大猩猩玻璃的吸收光譜中,對1064nm波長的光透過率>92.1%,因此皮秒級超快激光切割鋁硅酸鹽玻璃,必須利用材料的體吸收。
 
同時玻璃屬于寬帶隙電介質材料,超快激光具有誘導其自身進行多光子吸收的能力。傳統光吸收指單光子能量超過材料帶隙,材料吸收單光子,進而激發電子進行價帶-導帶躍遷。超快激光具有極高的峰值功率密度,即使單光子能量低于材料帶隙,利用多光子吸收也可實現電子價帶-導帶躍遷。皮秒級超快激光輻射光子,材料進行多光子吸收產生導帶電子,處在高能級的電子在材料運動中發射聲子,并把所吸收能量轉移至晶格,晶格經歷能量沉積造成材料熔化或機械破壞,實現高質量的微加工。
 
 
超快激光通過透鏡聚焦獲得um級光束,具有高峰值功率密度。光束作用在玻璃材料上時,光束中心光強比邊緣低,帶來材料中心折射率比邊緣變化大,光束中心傳播速度比邊緣慢,光束出現非線性光學克爾效應來產生自聚焦,繼續提升功率密度。直到在某閾值材料產生低密度等離子體,降低材料中心折射率,實現光束散焦。在實際切割玻璃中,優化聚焦系統及焦距,可實現重復性聚焦/散焦過程,形成穩定穿孔。
 
傳統超快激光切割是利用振鏡來控制激光束,熔化、汽化或產生熱應力來切割材料,該方法切割厚玻璃增加Z軸升降實施分層切斷。
 
 
目前成絲切割是一種可行的工藝,激光行業均具有成熟解決方案,在顯示行業內已進行廣泛的應用。如圖4所示,當超快激光束通過玻璃材料傳播時,同時存在克爾自聚焦和等離子體散焦,光束在兩者動態平衡中能實現長距離傳播,在材料中形成微米級的絲孔,這種絲孔在玻璃中能延展幾毫米的深度。直線電機控制玻璃工件相對于激光束進行運動來生成等間距的眾多絲孔,通過優化絲孔間距產生沿直徑方向的微裂紋。對存在微裂紋的玻璃施加外力,增加微裂紋處的應力,使玻璃沿微裂紋斷裂,達到切斷的目的。

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