用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法和装置与流程

本发明总体上涉及激光加工领域，具体而言涉及用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法和装置。

背景技术：

激光加工由于其精准性以及极小的加工器具磨损而被越来越普遍地使用。近年来，随着手机、平板计算机等大屏幕设备的兴起，激光加工被越来越多地加工诸如薄玻璃之类的脆硬材料。

名称为“一种自动冷却激光切割机床”的中国专利申请CN201510516684.5公开了一种激光切割方法，其中利用激光的热效应沿切割路径加热材料并使其快速冷却，使得在材料中沿切割路径产生强撕裂内应力，从而使材料沿切割路径分离。然而，由于激光加工时的热效应以及之后的冷却处理，常常在材料中产生内应力、甚至裂纹，从而使得经加工的材料、尤其是脆硬材料易于产生脆裂等质量问题。此外，该方法也不适于切割曲线路径、尤其是曲率半径小于20毫米的路径。

名称为“一种全自动激光划片设备”的中国专利申请CN201520297677公开了另一种激光切割方法，其中首先在借助于激光辐射在材料表面烧蚀划片，然后利用机械方法施加外力，使得材料沿激光烧蚀划片路径分离。该方法同样容易在材料中产生内应力、甚至裂纹，而且该方法也不适于切割曲线路径。

名称为“用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法”的国际公开“WO2014/154337A3”公开了又一种激光切割方法，其中基于克尔效应在脆硬材料中自聚焦，使得在脆硬材料中造成高宽比极高的丝状烧蚀。但是，该方法仍然会造成内应力、甚至裂缝。而且，当切割曲线路径、尤其是曲率半径小于10毫米的曲线路径时，这些丝状烧蚀必须靠得很近，使得脆硬材料沿着去线切割路径分离，这显著增加了加工成本并降低了良品率。

技术实现要素：

本发明的任务是，提供一种用于借助于激光辐射去蚀(例如裁切、刮削或钻孔)脆硬材料的方法和装置，其中借助于该方法或该装置能够在脆硬材料上(表面及内部)产生能够提高切割效率的内应力或微裂纹，同时避免或显著减小影响产品品质的内应力和微裂纹的产生，从而显著提高经加工的脆硬材料的品质并提高加工效率和加工精度。

在本发明的第一方面，该任务通过一种用于借助于激光辐射去蚀脆硬材料的方法来解决，该方法包括下列步骤：

将激光辐射入射到脆硬材料上以形成非圆形光斑，其中从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看，非圆形光斑的长度方向与激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合；以及

沿着去蚀方向去蚀脆硬材料。

在此应当指出，“将激光辐射入射到脆硬材料上”应当广义地理解，其涵盖了将激光辐射入射到脆硬材料的表面上以及脆硬材料中这两种情况。

该方法所基于的思想和优点如下。发明人独到地发现，在激光加工中通常使用的圆形激光束的各向同性将导致微裂纹随机产生。参见图1，沿着去蚀路径102前进的圆形激光光斑103将产生随机分布的微裂纹101，这些微裂纹101将随机地分布在各个方向上，使得微裂纹的方向将有极大的几率与切割或裂片方向不重合，因此在切割或划片完成后仍然残留在经加工的脆硬材料中，从而可能降低产品的强度和切割质量、甚至导致产品裂损；同时随机的微裂纹有可能使得分离方向偏离划片方向，使得难以尤其是沿曲线路径切割脆硬材料。同时，发明人还独到地发现，通过根据本发明利用激光束的非圆形光斑切割脆硬材料并使非圆形光斑的主轴与切割路径从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看重合，可以使非圆形光斑在脆硬材料中产生的非对称应力基本上沿切割方向分布，从而有利于最大限度的降低微裂纹沿切割方向以外的方向或划片方向以外的方向的产生及传播，进而精确控制裂片方向沿非对称应力施加方向传播。因此，利用根据本发明的方法，也可以精确控制脆硬材料的曲线去蚀。简言之，利用根据本发明的方法，能够在脆硬材料内产生能够加快切割效率的内应力或裂缝，同时避免或显著减小影响产品品质的内应力和微裂纹的产生，从 而显著提高经加工的脆硬材料的品质并提高加工效率和加工精度。

在本发明的一个扩展方案中规定，通过多轴联动来实现非圆形光斑的长度方向与去蚀方向的重合。通过多轴联动，可以较好地使非圆形光斑的长度方向与去蚀方向重合。

在本发明的另一扩展方案中规定，非圆形光斑为下列各项之一：椭圆形光斑、矩形光斑、以及条形光斑。这些形状的光斑是易于通过常规光学手段产生的，因此可以以较低成本来实现。

在本发明的一个优选方案中规定，非圆形光斑的长宽比大于或等于1.5。通过非圆形光斑的该长宽比，可以实现微裂纹更多地沿去蚀方向分布。

在本发明的一个扩展方案中规定，非圆形光斑通过光路元件的非对称对准而产生。光路元件的非对称对准例如包括光路元件在光路上偏心布置、或者偏折。其它的非对称对准也是可以设想的。

在本发明的另一扩展方案中规定，非圆形光斑借助于波束成形器件产生。波束成形器件可以位于激光加工设备的波束传播/传导路径中、在聚焦透镜或扫描振镜之前、或直接与聚焦透镜或扫描振镜集成。波束成形器件包括但不限于非圆形光学元件(空间滤波狭缝、单柱面镜、双柱面镜、变形棱镜等)、衍射光学元件、空间分束以及光栅。其它的波束成形器件也是可设想的。波束成形器件可以通过例如同步旋转来使非圆形光斑的长度方向与去蚀路径实时地保持重合。

在本发明的另一扩展方案中规定，非圆形光斑通过组合和排列多个相同或不同的光斑而产生。例如，非圆形光斑可以借助于多个相同光斑(例如圆形光斑)的组合(例如线形排列)来实现，这种方式是易于实现的。

在本发明的一个优选方案中规定，通过调整长宽比来调整在去蚀脆硬材料时在脆硬材料中产生裂纹的几率以及所产生的裂纹的空间分布。例如，大的长宽比将有利于微裂纹在去蚀方向上的分布，但是这将增加非圆形光斑的长度方向与去蚀方向重合的难度，因此可以根据加工精度要求和加工成本要求合适地选择所述长宽比。

在本发明的一个扩展方案中规定，脆硬材料包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、大理石、以及花岗石。其它脆硬材料也是可设想的。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于借助于激光辐射去 蚀脆硬材料的装置来解决，该装置包括：

激光器，其被配置为发射激光辐射；

光学器件，其被配置为对激光辐射进行引导，使得激光辐射入射到脆硬材料上形成的光斑为非圆形；以及

移动装置，其被配置为移动激光器、光学器件和/或脆硬材料，使得从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看，非圆形光斑的长度方向与激光辐射去蚀脆硬材料的去蚀方向重合。

该装置所基于的原理及其优点参见针对该方法的说明。利用根据本发明的装置，同样能够在脆硬材料内产生能够加快切割效率的内应力或裂缝，同时避免或显著减小影响产品品质的内应力和微裂纹的产生，从而显著提高经加工的脆硬材料的品质并提高加工效率和加工精度。

在本发明的一个优选方案中规定，非圆形光斑的长宽比大于或等于1.5。

在本发明的一个扩展方案中规定，通过光学器件包括下列各项之一：波束成形器件、非对称地对准的光路器件、以及用于组合多个激光器的激光辐射以形成非圆形光斑的装置。波束成形器件可以通过例如同步旋转以使非圆形光斑的长度方向与去蚀路径实时地保持重合。

在本发明的另一扩展方案中规定，通过移动装置包括下列各项之一：多轴联动装置、以及机器手臂。

附图说明

下面参考附图根据多个实施例来进一步阐述本发明。附图：

图1示出了在根据现有技术采用圆形激光光斑去蚀脆硬材料时产生的微裂纹的分布；

图2示出了在根据本发明的方法中所使用的非圆形光斑和去蚀路径；

图3示出了在根据本发明的方法中所使用的多种非圆形光斑、去蚀路径以及所产生的微裂纹；

图4示出了通过光路元件的非对称对准产生非圆形光斑的示意图；以及

图5示出了通过将波束成形器件与光路元件相组合以产生非圆形 光斑的示意图。

具体实施方式

图2示出了在根据本发明的方法中所使用的非圆形光斑和去蚀路径。如图2所示，激光辐射入射到脆硬材料(未示出)上以形成非圆形光斑、在此为椭圆形光斑202。应当指出，椭圆形光斑202仅仅是示例性的，其它非圆形形状也是也可设想的，例如矩形光斑和条形光斑(参见图3)。椭圆形光斑202的长度方向203从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看与去蚀方向201重合。长度方向203是指非圆形光斑的长度所在的方向，例如椭圆的长轴方向、矩形的长度方向。非圆形光斑的长度和宽度之比、即长宽比(亦称长径比或纵横比)优选大于1.5。

应当指出，“长度方向203从激光与脆硬材料的作用面的表面法向上来看与去蚀方向201重合”是指，长度方向203和去蚀方向201在激光与脆硬材料的作用面的表面法向上的投影是重合的，但是它们在脆硬材料的厚度方向上不一定重合。例如，当去蚀方向201为沿着脆硬材料的表面方向时、例如水平切割时，长度方向203和去蚀方向201完全重合。而当去蚀方向201为斜向于脆硬材料的表面向内时、例如当钻孔或斜向切割时，则长度方向203和去蚀方向201在激光与脆硬材料的作用面的表面法向上的投影是重合的，但是它们在脆硬材料的厚度方向上不重合。

所述重合可以通过多轴联动装置来实现。例如，将激光器和脆硬材料分别布置在多轴联动装置的不同旋转轴上以便它们能够相对移动和旋转，从而通过所述移动和旋转来时刻保持前述重合。此外，在采用波束成形器件来形成非圆形光斑的情况下，波束成形器件可以通过例如同步旋转以使非圆形光斑的长度方向与去蚀路径实时地保持重合。

在本发明中，激光器具有下列优选参数：激光束聚焦通量：大于10微焦耳每平方厘米(μJ/cm²)；激光器波长：紫外200nm到400nm，可见500nm到600nm，近红外900nm到1100nm，红外4000nm到6000nm，9000nm到11000nm；激光器脉冲宽度：0.1ps到10ns；。以上优选参数能够提高加工精度、减小微裂纹的产生。但其它参数是可设想的。

通过根据本发明使非圆形光斑的长度方向203和去蚀方向201在激光与脆硬材料的作用面的表面法向上的投影重合，能够在脆硬材料内产生能够加快切割效率的内应力或微裂纹，同时避免或显著减小影响产品品质的内应力和微裂纹的产生，从而显著提高经加工的脆硬材料的品质并提高加工效率和加工精度。具体微裂纹产生参见结合图3的描述。

图3示出了在根据本发明的方法中所使用的多种非圆形光斑、去蚀路径以及所产生的微裂纹。在图3中示出了激光辐射的多种非圆形光斑302、在此为椭圆形光斑、矩形光斑和非圆形组合光斑，其中这些非圆形光斑通过光路元件的非对称对准或者波束成形器件产生，而组合非圆形光斑也可以通过组合多个光斑、例如圆形光斑而产生。

图3所示，通过根据本发明使非圆形光斑302的长度方向和去蚀方向301在激光与脆硬材料的作用面的表面法向上的投影重合，可以使微裂纹303主要沿着去蚀(例如裁切、刮削、钻孔)脆硬材料的去蚀方向产生，而基本上不产生其它方向的微裂纹，从而一方面使这些微裂纹303有利于脆硬材料的去蚀，同时减小了影响产品质量、例如使脆硬材料发生碎裂的微裂纹的产生，使得既提高了加工效率、又提高了所加工的产品的质量和加工精度。

图4示出了通过光路元件的非对称对准产生非圆形光斑的示意图。如图4所示，激光束形式的激光辐射401入射到光路元件402、例如聚焦透镜或扫描振镜中。在最左边的光路元件402中，由于光路元件402在光路上对准，因此将产生圆形光斑403。而在右边的两个光路元件402中，由于光路元件402在光路上未对准、例如光路偏心、偏折，而将产生非圆形、例如椭圆形的光斑403。

图5示出了通过将波束成形器件与光路元件相组合以产生非圆形光束的示意图。如图5所示，激光束形式的激光辐射501首先入射到波束成形器件502中。波束成形器件502例如包括空间滤波狭缝、单柱面镜、双柱面镜、变形棱镜等)、衍射光学元件、空间分束、光栅。经过光束成形的激光辐射501然后进入到光路元件503中。在图5中，光路元件503在光路上对准，但是应当指出，这仅仅是示意性的，光路元件503也可以在光路上未对准，以便与波束成形器件502协作以产生所期望形状的非圆形光束或光斑。经过光路元件502引导的激光 辐射501最后产生非圆形激光束或光斑504，如图5所示分别为椭圆形光斑A、矩形光斑B和组合光斑C。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。