激光切割裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型揭示了一種激光切割裝置，包括：激光發射模塊，用于發出對于待加工物具有透射性的波長的激光光束；分光模塊，將所述激光發射模塊發出的激光光束分解為若干束；發散角調節模塊，其對應所述分光模塊分解形成的若干束激光光束，并分別改變所述若干束激光光束的發射角；合束模塊，其將若干束經所述發散角調節模塊改變發射角的激光光束合束為具有相同傳播方向的激光光束；聚焦透鏡，其將經所述合束模塊合束形成的激光光束進行會聚，從而在光軸上形成多個間距可調的焦點。本實用新型提供的激光切割裝置，其加工精度高，且可滿足較大厚度材料的加工需求。
【專利說明】激光切割裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于激光加工【技術領域】，具體涉及一種激光切割裝置。
【背景技術】
[0002]利用激光對加工對象進行切割已經是激光加工領域中常見工藝，傳統的激光切割方式是將激光會聚于物體表面，當所用的激光功率比較大時，材料便發生熔化、氣化、等離子化等物理及化學變化，當加工功率足夠大時，加工對象即可沿著發生上述變化的位置斷開，從而實現切割加工對象物的目的，這種方式所用到的激光器種類較多，如脈沖激光與連續激光。切割厚鋼板時會使用最大激光平均功率達到千瓦甚至萬瓦級的CO2激光器。
[0003]這種方法的缺陷是，當被加工對象的精細度要求較高時，利用大功率激光器往往引入過多的熱影響區域，無法滿足應用要求。同時，從激光的聚焦特性來看，聚焦光斑較大時，焦深較長可以切割較厚的材料，但是大的聚焦光斑在加工過程中會引入過多的熱量，導致很大的熱影響區域，且大的光斑無法實現精細切割；如果選用較小的聚焦光斑，則焦深很淺，只能切割很薄的材料，這也限制了激光切割的應用范圍。
[0004]有鑒于此，需要提供一種激光切割裝置，以解決上述問題。

【發明內容】

[0005]本實用新型的目的之一在于提供一種激光切割裝置，其可以在滿足加工精細度要求的同時，對具有較大厚度的待加工物進行切割。
[0006]為實現上述實用新型目的之一，本實用新型提供一種激光切割裝置，所述激光切割裝置包括:
[0007]激光發射模塊，用于發出對于待加工物具有透射性波長的激光光束；
[0008]分光模塊，將所述激光發射模塊發出的激光光束分解為若干束；
[0009]發散角調節模塊，其對應所述分光模塊分解形成的若干束激光光束，并分別改變所述若干束激光光束的發射角；
[0010]合束模塊，其將若干束經所述發散角調節模塊改變發射角的激光光束合束為具有相同傳播方向的激光光束；
[0011]聚焦透鏡，其將經所述合束模塊合束形成的激光光束進行會聚，從而在光軸上形成多個間距可調的焦點。
[0012]作為本實用新型的進一步改進，所述激光切割裝置還包括功率調節模塊，所述功率調節模塊對應所述分光模塊分解形成的若干束激光光束，并分別改變所述若干束激光光束的功率。
[0013]作為本實用新型的進一步改進，所述分光模塊包括偏振分光鏡或衍射分光鏡，所述分解得到的若干束激光光束經所述功率調節模塊調節后與原激光光束的能量分布及發射角相同。
[0014]作為本實用新型的進一步改進，所述分光模塊分解得到的激光光束的數量大于2束，且小于16束。
[0015]作為本實用新型的進一步改進，所述發散角調節模塊包括與所述分光模塊分解得到的激光光束的數量對應的若干發散角調節單元，任一所述發散角調節單元包括一組凹凸透鏡或一對凸透鏡。
[0016]作為本實用新型的進一步改進，所述合束模塊包括與所述若干發散角調節單元分別對應的若干合束鏡。
[0017]作為本實用新型的進一步改進，所述激光切割裝置還包括光路調節模塊，所述光路調節模塊將所述分光模塊分解得到的若干激光光束的傳播方向調節為大致平行。
[0018]作為本實用新型的進一步改進，所述聚焦透鏡的數值孔徑大于0.4。
[0019]與現有技術相比，本實用新型提供的激光切割裝置通過配合設置的激光發射模塊、分光模塊、發散角調節模塊、合束模塊、以及聚焦透鏡，將發射的激光光束先分解為若干束，并分別對若干束激光光束調節發射角，接著將調節后的若干束激光光束合束為傳播方向相同的激光光束，最后會聚在光軸上形成間距可調的多個焦點，該多個焦點在待加工物內部形成高峰值功率柱狀通道及應力梯度，使材料分離，達到激光切割的目的，其加工精度高，且可滿足較大厚度材料的加工需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型激光切割裝置一【具體實施方式】的模塊示意圖；
[0021]圖2是利用本實用新型激光切割裝置切割鋼化玻璃一實施例中，鋼化玻璃的切面的電鏡圖；
[0022]圖3是利用本實用新型激光切割裝置切割鋼化玻璃一實施例中，鋼化玻璃的切割邊緣的電鏡圖；
[0023]圖4是利用本實用新型激光切割裝置切割鋼化玻璃一實施例中，激光在鋼化玻璃內部形成的切割通道的電鏡圖；
[0024]圖5是本實用新型激光切割方法一【具體實施方式】的流程圖。
【具體實施方式】
[0025]以下將結合附圖所示的【具體實施方式】對本實用新型進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本實用新型，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本實用新型的保護范圍內。
[0026]參圖1，介紹本實用新型激光切割裝置100的一【具體實施方式】。在本實施方式中，該激光切割裝置100包括激光發射模塊10、分光模塊20、發散角調節模塊30、合束模塊40、以及聚焦透鏡50。在激光光束的光路方向上，激光發射模塊10、分光模塊20、發散角調節模塊30、合束模塊40、以及聚焦透鏡50依次設置。
[0027]激光發射模塊10用于發出對于待加工物具有透射性的波長的激光光束L，一般地，可以根據待加工物的不同選取具有合適波長的激光源，通常需采用透射率大于25%的激光光束對待加工物進行切割加工，更加優選地，需針對待加工物材質采用透射率大于50%的激光光束以達到較為滿意的切割效果。
[0028]分光模塊20與激光發射模塊10配合設置，自激光發射模塊10發出的激光光束經由該分光模塊20分解為若干束，分光模塊20可以例如包括偏振分光鏡或衍射分光鏡，為了保證加工效果的可靠，經分光模塊20分解得到的激光光束的數量大于2束，且小于16束。
[0029]發散角調節模塊30對應于分光模塊20分解形成的若干束激光光束L1、L2、L3，并可針對每束激光光束L1、L2、L3分別改變其發射角，這樣設置的好處是，相對于采用單一衍射光學器件或者折射光學器件，可以實現各束激光光束的發射角可調，進而實現最終會聚形成的焦點的位置、間距、能量密度的可調，在加工過程中獲取更佳的靈活性。
[0030]具體地，發散角調節模塊30包括與分光模塊20分解得到的激光光束L1、L2、L3的數量對應的若干發散角調節單元31，任一發散角調節單元31包括一組凹凸透鏡或一對凸透鏡，每個發散角調節單元31分別調節對應激光光束的發散角。作為優選的實施方式，激光切割裝置100還包括光路調節模塊，該光路調節模塊包括若干反射鏡60，該光路調節模塊用于將分光模塊分解得到的若干激光光束的傳播方向調節為大致平行，該光路調節模塊(即反射鏡60)在分解得到的若干激光光束L1、L2、L3的光路上設置于分光模塊20和發散角調節模塊30之間，又或者，設置于發散角調節模塊30和合束模塊40之間。光路調節模塊的設置可以將自分光模塊20分解得到的激光光束反射至對應的發散角調節單元31，其中的反射鏡60的數量可以依據具體的結構要求設計，本實施方式中，以分光模塊20將激光光束分解為3束為例，并配合設置2塊反射鏡將激光光束調節至與激光光束平行的傳播方向，這也更加有利于后述的合束模塊40的布置，優化裝置的結構。同時，由于設置了光路調節模塊，可以將激光光束以大致平行的狀態送入合束模塊40，便于合束模塊40的調節，且可以減小合束模塊的體積。需要說明的是，這里所說的“大致平行”是指若干束激光光束并非絕對平行，而可以容許一定的公差存在。
[0031]作為一優選的實施方式，激光切割裝置100還包括功率調節模塊(圖未示)，該功率調節模塊對應所述分光模塊分解形成的若干束激光光束，并分別改變所述若干束激光光束的功率。這樣，通過配合設置的發散角調節模塊和功率調節模塊，可以實現分解得到的若干束的激光光束L1、L2、L3與原激光光束L的能量分布及發射角相同。
[0032]合束模塊40將若干束經發散角調節模塊30改變發射角的激光光束L1、L2、L3合束為具有相同傳播方向的激光光束，聚焦透鏡50將經合束模塊40合束形成的激光光束進行會聚，從而在光軸上形成多個間距可調的焦點。類似地，合束模塊40包括與若干發散角調節單元31分別對應的若干合束鏡41，合束鏡41的位置需精確調整以保證合束后激光光束傳播方向的一致性，提高后續的加工精度。會聚在光軸上的多個具有間距的焦點在待加工物內部形成一高峰值功率密度柱狀通道及應力梯度，使材料分離。特殊地，聚焦透鏡50的數值孔徑優選地大于0.4。需要說明的是，這里所說的“傳播方向相同”是指:多束激光光束L1、L2、L3具有一相同的光軸。
[0033]經試驗測算，本實用新型提供的激光切割裝置100形成的高峰值功率密度柱狀通道的長度大于0.6mm,直徑小于0.05um。配合脈沖激光，通道內的峰值功率密度可達到IO13/cm2以上以實現大部分被加工材料對激光光束的非線性吸收，進行切割時，當峰值功率密度大于109W/cm2，即可使大部分待加工物發生材料的熔化，當峰值功率密度繼續上升時，待加工物材料出現氣化及等離子化的現象。當配合脈沖寬度小于50ps的激光光束時，可使峰值功率密度大于1013/cm2，這時通道內可實現多光子吸收的非線性效應，使材料改性，在內部及表層形成改性層，最終使材料分離，并且，由于使用超短脈沖激光，所以引入的熱量較少，待加工物材料的改性只發生在預定加工位置處的狹長通道內，故切割的邊緣質量較好。
[0034]在實際的產業利用中，通過設置工作臺以承載待加工物，并通過平面傳送機構實現工作臺與激光切割裝置之間的相對位置移動已為業界普通技術人員所熟知，故對于這部分內容在此不作贅述。
[0035]以下介紹一個具體應用的加工實施例:
[0036]應用環境:鋼化玻璃切割
[0037]待加工物對象:500um厚鋼化玻璃，鋼化層厚度:30um
[0038]激光切割裝置:
[0039]波長:1030nm
[0040]重復頻率:50KHZ
[0041]脈沖寬度:20ps
[0042]偏振態:線偏振光
[0043]光束質量:M2< 1.5
[0044]聚焦透鏡:NA=0.45，激光透過率> 60%
[0045]高峰值功率密度柱狀通道長度:600um
[0046]高峰值功率密度柱狀通道直徑:15um
[0047]待加工物相對運動速度:500mm/s。
[0048]圖2表示待加工物材料的切面圖，圖中清晰可見，材料的預定加工位置處基本上都被破壞掉，激光脈寬很短，所以切割通道內峰值功率很高，已經達到了多光子吸收的閥值，即使被加工物對象對激光波長透過率比較高，也可以實現材料對激光能量的吸收并實現切割加工。圖3表示待加工物切割邊緣圖，由多點聚焦形成的高峰值功率密度的切割通道，在表面也留下了明顯的破壞痕跡，使材料分離更加徹底。圖4示出了高峰值能量密度通道在玻璃內部形成的切割通道，通道的長度為400um左右，寬度小于15um。
[0049]參圖5，介紹本實用新型激光切割方法的一【具體實施方式】。在本實施方式中，該方法包括以下步驟:
[0050]S1、針對待加工物選取具有合適透射率的激光光束。
[0051]針對不同材質的待加工物，需要選取不同波長的激光光束，這里選取的激光光束相對于待加工物的透射率至少要大于25%，優選地，大于50%。
[0052]S2、將所述激光光束分解為若干束，并分別調節分解形成的若干束激光光束的發射角。
[0053]需要分解得到的激光光束的數量可以根據待加工物的材料厚度決定，更多束的激光光束可以形成更多個的焦點，使得可切割的材料厚度增加，同時，通過調節每束激光光束的發射角，也可以調節焦點的位置、間距、能量密度，加工方式更加靈活。
[0054]S3、將經改變發射角的若干束激光光束合束為具有相同傳播方向的激光光束，并會聚在光軸上形成間距可調的多個焦點。
[0055]激光光束的合束可以使得最終會聚得到的焦點沿縱深方向排列，以實現對待加工物材料厚度方向的切割。
[0056]S4、將所述多個焦點導入待加工物的預定切割位置，在所述預定切割位置處形成高峰值功率柱狀通道及應力梯度。[0057]這里所說的步驟S4和步驟S3并非存在順序上的絕對的先后關系，在一些實際的操作過程中，待加工物可以是被保持于加工臺上的預定位置處，激光光束在待加工物內部會聚時即被相應地配置于所述的預定切割位置。
[0058]S5、平面調節待加工物與所述多個焦點之間的相對位置，以實現待加工物預定形狀的切割。
[0059]采用本實用新型提供的激光切割方法，可以對待加工物進行精細切割，切割引入的熱量及熱影響區域較小，且可進行較大深度的切割作業。
[0060]本實用新型通過上述實施方式，具有以下有益效果:本實用新型提供的激光切割裝置通過配合設置的激光發射模塊、分光模塊、發散角調節模塊、合束模塊、以及聚焦透鏡，將發射的激光光束先分解為若干束，并分別對若干束激光光束調節發射角，接著將調節后的若干束激光光束合束為傳播方向相同的激光光束，最后會聚在光軸上形成間距可調的多個焦點，該多個焦點在待加工物內部形成高峰值功率柱狀通道及應力梯度，使材料分離，達到激光切割的目的，并且，形成的高峰值功率柱狀通道及應力梯度使得材料分離的更加徹底，避免后續需要輔助進行機械分離，其加工精度高，且可滿足較大厚度材料的加工需求。
[0061]應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
[0062]上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本實用新型的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本實用新型的保護范圍，凡未脫離本實用新型技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種激光切割裝置，其特征在于，所述激光切割裝置包括: 激光發射模塊，用于發出對于待加工物具有透射性的波長的激光光束； 分光模塊，將所述激光發射模塊發出的激光光束分解為若干束； 發散角調節模塊，其對應所述分光模塊分解形成的若干束激光光束，并分別改變所述若干束激光光束的發射角； 合束模塊，其將若干束經所述發散角調節模塊改變發射角的激光光束合束為具有相同傳播方向的激光光束； 聚焦透鏡，其將經所述合束模塊合束形成的激光光束進行會聚，從而在光軸上形成多個間距可調的焦點。
2.根據權利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述激光切割裝置還包括功率調節模塊，所述功率調節模塊對應所述分光模塊分解形成的若干束激光光束，并分別改變所述若干束激光光束的功率。
3.根據權利要求2所述的激光切割裝置，其特征在于，所述分光模塊包括偏振分光鏡或衍射分光鏡，所述分解得到的若干束激光光束經所述功率調節模塊調節后與原激光光束的能量分布及發射角相同。
4.根據權利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述分光模塊分解得到的激光光束的數量大于2束，且小于16束。
5.根據權利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述發散角調節模塊包括與所述分光模塊分解得到的激光光束的數量對應的若干發散角調節單元，任一所述發散角調節單元包括一組凹凸透鏡或一對凸透鏡。
6.根據權利要求5所述的激光切割裝置，其特征在于，所述合束模塊包括與所述若干發散角調節單元分別對應的若干合束鏡。
7.根據權利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述激光切割裝置還包括光路調節模塊，所述光路調節模塊將所述分光模塊分解得到的若干激光光束的傳播方向調節為大致平行。
8.根據權利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述聚焦器件的數值孔徑大于.0.4。
【文檔編號】C03B33/02GK203602494SQ201320790143
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】趙裕興, 汪昊, 徐海濱 申請人:蘇州德龍激光股份有限公司