本发明涉及脆性透明材料的激光加工方法，尤其涉及一种有限范围内多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法及其装置，属于激光加工技术领域。
背景技术：
目前，对于脆性透明材料的激光加工技术，主要是采用激光烧蚀、气化实现材料的去除，从而实现切割以及钻孔等加工方式。激光烧蚀的特征在于，激光聚焦于材料表面(上表面或下表面)，通过本身焦深范围所及或者焦点上下、里外的运动，达到逐层去除材料的目的，最终将所需图形的材料从基板上分离下来。这种技术很普及，可以通过振镜或者移动聚焦镜的方式来实现，缺点在于：第一，去除材料的效率低下，尤其是对于高硬度材料，如蓝宝石、石英等；第二，材料边缘存在热影响区，通常表现为熔融的材料在边缘两侧堆积形成凸起；第三，切割后侧壁无法做到垂直，其倾斜角度通常在70～80度，对于后续装配有一定影响；第四，切割后材料抗弯强度较低，边缘崩边大。
对于直线切割以及部分外框的加工，也可以使用应力诱导切割的方式来实现，其特征是，激光聚焦于材料内部，在内部形成爆破区域，形成材料断裂的引导方向。隐形切割不会在表面形成损伤区域，因此材料不会真正的分离开，而是需要后续通过机械方式，如弯折、劈裂等动作使其完全分离。其特点在于：第一，不破坏材料表面，因此在材料边缘不会有重铸堆积；第二，侧壁的垂直度高，可以达到85°以上；其缺点在于：第一，无法实现对于封闭的图形的加工，如钻孔。第二，对于厚度较厚的材料，加工效率较低。
以上方式互有利弊，每一种方式都不能很好的涵盖和满足大部分加工要求。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种有限范围内多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法及其装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，特点是，依光路方向设置有：
激光器，输出光束；
扩束镜，对从激光器输出光束的直径及发散角度进行连续调节；
第一反射单元，将扩束镜出射的光束反射至激光光束首次整形装置；
光束首次整形装置，将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个环形或多个环形区域内；
光束二次整形装置，将首次整形过后的激光光束进行再次整形，对激光光束能量分布及大小调节，动态控制焦点分布范围；
第二反射单元，将二次整形后激光光束入射至聚焦镜；
聚焦镜，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，激光光束形成有限范围内分布的多焦点，焦点分布范围包含被加工对象；
X-Y轴运动平台，承载被加工对象，相对于聚焦镜运动。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述激光器为脉冲宽度小于100纳秒、波长可选范围343～2000纳米的脉冲激光器。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述激光器为脉宽范围7～15皮秒、波长1030nm或1064nm的脉冲激光器。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述扩束镜为具有可调倍率及改变发散角的扩束镜。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述第一反射单元包含依光路方向布置的第一反射镜和第二反射镜。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述光束首次整形装置为空间光调制器、可变形反射镜或衍射光学透镜。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述光束二次整形装置为可调节光阑。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第三反射镜和第四反射镜。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，所述聚焦镜安装于Z轴升降运动单元上。
进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，其中，还包含控制系统和光束二次整形装置控制单元，控制系统与光束二次整形装置控制单元和X-Y轴运动平台控制连接，光束二次整形装置控制单元与光束二次整形装置控制连接。
本发明多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，激光经光束整形后汇聚成多个沿光轴方向分布的焦点，且多个焦点所覆盖的范围在20～3000微米范围内连续可调，调节焦点范围使焦点的覆盖范围大于被加工对象的厚度。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，调节焦点范围使焦点的覆盖范围大于被加工对象的厚度，在被加工对象上下表面及内部或者在被加工对象内部形成微小爆裂点，被加工物体相对于焦点运动形成贯穿被加工对象上下表面的爆裂面，以爆裂面为导向实现材料的分离。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，以爆裂面为导向通过施加机械外力实现材料的分离。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，对于曲线和封闭图形，通过化学药剂腐蚀的方法实现材料的分离。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，由激光器输出脉冲激光，扩束镜对光束的直径及发散角度进行连续调节；由第一反射单元将出射的光束反射至激光光束首次整形装置，光束首次整形装置将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个环形或多个环形区域内；光束二次整形装置将首次整形过后的激光光束进行再次整形，对激光光束能量分布及大小调节，动态控制焦点分布范围，形成具有能量以及分布形状的激光光束；由第二反射单元，将二次整形后激光光束入射至聚焦镜，聚焦镜，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，激光光束形成有限范围内分布的多焦点，焦点分布范围包含被加工对象；X-Y轴运动平台承载被加工对象，相对于聚焦镜运动；从而在被加工对象的表面以及内部形成由爆裂点组成的截面，即爆裂面。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，爆裂面的高度大于被加工对象的厚度时，被加工对象的上下表面以及内部均产生爆裂点。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，光束二次整形装置调节多焦点分布的有限范围，爆裂面的高度小于被加工对象的厚度，通过调节聚焦镜至合适高度，在被加工对象材料内部形成爆裂面，而材料上下表面无损伤。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，所述光束二次整形装置为可调节光阑，通过对激光光束的遮挡进行激光光束能量分布和大小的控制。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，所述可调节光阑采用电动控制孔径大小的结构，或者是切换式结构，切换式结构中光阑为软边光阑。
更进一步地，上述的多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，其中，控制系统发出控制指令给光束二次整形装置控制单元，光束二次整形装置控制单元为驱动装置，由光束二次整形装置控制单元驱动光束二次整形装置中电机，实现对光束二次整形装置的光阑的开合或切换动作。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明采用有线范围内多焦点分布激光加工的方法实现激光划线与切割，基于激光应力诱导切割技术的延展技术通过增加沿光轴方向的焦点数量实现脆性透明材料的加工；同时辅助以机械外力裂片或者化学腐蚀的方式实现材料的完全分割；可以向下兼容激光应力诱导切割方法并且改善激光应力诱导加工的一些弊端；
②焦点在有限范围内分布，分布的范围可大于被加工材料的厚度，从而使加工次数最少可降低至一次，相比激光应力诱导切割方法中所使用的多次往返切割，切割效率显著提升；
③相邻焦点紧密分布，截面粗糙度得到显著改善；相对于表面烧蚀的方法，可以使侧壁垂直度大于89°，近乎于垂直，侧壁粗糙度大为改善；
④在激光加工的基础上，辅以机械方式或者化学腐蚀的方法进行材料分离，从而实现任意图形材料的切割分离，解决激光应力诱导切割无法实现钻孔等封闭图形加工的缺陷；实现和满足大部分二维平面图形的加工要求，包含加工各种异形孔。
附图说明
图1：本发明的光路结构示意图；
图2a：激光光束能量由高斯分布整形为单个圆环状分布的示意图；
图2b：激光光束能量由高斯分布整形为两个圆环状分布的示意图；
图3：有限范围内实现激光多焦点分布示意图；
图4：有限范围内实现激光多焦点分布范围动态调节的示意图；
图5：材料上下表面以及内部形成爆裂点截面过程的示意图；
图6：在材料表面形成的爆裂点的照片示意图；
图7：在材料内部实现激光多焦点分布的照片示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
本发明基于激光应力诱导切割技术激光应力诱导切割技术，激光应力诱导技术是激光聚焦于材料内部，在内部形成爆破区域，形成材料断裂的引导方向。具体的内容是：激光通常被汇聚成一个小点，这些点均分布于材料的内部，当焦点位置上激光功率密度大于材料的损伤阈值时，将在材料内部形成爆裂点。每个爆裂点由单个激光脉冲形成，随着被加工材料相对于激光焦点的位移，可以形成不同形状的线分布，而线分布可以采用单层分布，也可以利用焦点上下的移动实现多层分布。其缺点在于爆裂点较大，同时层与层间隙较大，不能紧密排布，从而影响截面的粗糙度。
对于厚度较薄的材料，如厚度小于150um的蓝宝石衬底，可以采用单层直线分布形成裂纹引导线，在外力的作用下使之断裂。对于较厚的材料，需要多次切割并伴随焦点位置的上下移动，从而形成垂直方向上的分布，再施加一定的外力使之断裂。如果分布的层数不足，在施加外力时会产生不沿切割轨迹的裂纹，即乱裂纹，导致切割对象的损坏。在此技术上，为了提升厚度较大材料的加工效率，利用光束分束的方法，激光可以同时被聚焦成2个或者多个焦点，且这些焦点沿光束传播的方向，即垂直于材料入射表面的方向不连续分布，从而可以一次形成多个切割层，达到减少切割次数，减少加工时间的目的。焦点的数量受到光束分束镜片以及激光能量的限制数量不能太多，一般小于15个，并且多个焦点所覆盖的范围不能实时调整。
在上述基础上，本发明对于形成焦点的数量以及分布范围进行设计优化，使得焦点的数量以及焦点的分布范围都得到很大的提升，并且实现多焦点覆盖范围的动态可调。因此可根据被加工对象厚度的不同，控制多焦点覆盖的上下范围，使此范围可以大于被加工物体的厚度，使被加工材料的上下表面以及内部同时被激光所破坏，形成由爆裂点组成的截面。整个截面的性状被激光所改变，使得截面所在位置的物理强度下降，并且使爆裂点所在截面化学性质与未经加工区域不同。通过对爆裂点所在截面施加机械外力使材料断裂分离，或者对爆裂点所在截面实施化学溶剂腐蚀的方法使材料断裂分离。辅助的化学溶剂腐蚀的方法可以实现二维平面上封闭形状的加工，特别是各种形状孔洞的加工。
如图1所示，多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，依光路方向设置有：
激光器1，输出光束；激光器1采用脉冲宽度小于100纳秒、波长可选范围343～2000纳米的脉冲激光器，优选脉宽范围7～15皮秒、波长1030nm或1064nm的脉冲激光器；
扩束镜4，对从激光器1输出光束的直径及发散角度进行连续调节；扩束镜4采用具有可调倍率及改变发散角的扩束镜；
第一反射单元，包含依光路方向布置的第一反射镜5和第二反射镜6，将扩束镜4出射的光束反射至激光光束首次整形装置7；
光束首次整形装置7，将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个环形或多个环形区域内；光束首次整形装置7为空间光调制器、可变形反射镜或衍射光学透镜；
光束二次整形装置8，将首次整形过后的激光光束进行再次整形，对激光光束能量分布及大小调节，动态控制焦点分布范围；光束二次整形装置8采用可调节光阑；
第二反射单元，包含依光路方向依次布置的第三反射镜9和第四反射镜10，将二次整形后激光光束入射至聚焦镜11；
聚焦镜11，聚焦镜11安装于Z轴升降运动单元3上，将第二反射单元反射的光束进行聚焦，激光光束形成有限范围内分布的多焦点，焦点分布范围包含被加工对象；
X-Y轴运动平台2，承载被加工对象，相对于聚焦镜11运动。
另外，控制系统100与光束二次整形装置控制单元200和X-Y轴运动平台2以及Z轴升降运动单元3控制连接，光束二次整形装置控制单元200与光束二次整形装置8控制连接。控制系统100控制X-Y轴运动平台2进行联动，实现二维图形的加工。由控制系统100控制Z轴升降运动单元3实现焦点的上下移动。
光束二次整形装置8调节多焦点分布的有限范围，爆裂面的高度小于被加工对象的厚度，通过调节聚焦镜至合适高度，在被加工对象材料内部形成爆裂面，而材料上下表面无损伤。光束二次整形装置8为可调节光阑，通过对激光光束的遮挡进行激光光束能量分布和大小的控制。可调节光阑采用电动控制孔径大小的结构，或者是切换式结构，切换式结构中光阑为软边光阑。
由控制系统100发出控制指令给光束二次整形装置控制单元200，光束二次整形装置控制单元200为驱动装置，由光束二次整形装置控制单元200驱动光束二次整形装置8中电机，实现对光束二次整形装置8的光阑的开合或切换动作。
本发明多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的方法，激光经光束整形后汇聚成多个沿光轴方向分布的焦点，且多个焦点所覆盖的范围在20～3000微米范围内连续可调，调节焦点范围使焦点的覆盖范围大于被加工对象的厚度。在被加工对象上下表面及内部或者在被加工对象内部形成微小爆裂点，被加工物体相对于焦点运动形成贯穿被加工对象上下表面的爆裂面，以爆裂面为导向实现材料的分离。
具体应用时，激光器1所出射的激光为脉冲激光，其脉冲宽度小于100纳秒。波长可选范围343～2000纳米。优选使用的激光脉宽范围为7～15皮秒，波长为1030nm或1064nm。加工对象对于所使用的激光波长具有一定的透过率。
激光器1所出射的激光光束进入扩束镜4，扩束镜具有可调倍率和发散角功能，对出射光束的直径以及发散角度进行连续调节。
激光光束经扩束镜4后经过第一反射镜5，第二反射镜6反射进入光束首次整形装置7，光束首次整形装置7将能量呈高斯分布的激光光束进行光束整形，整形后的光束能量分布于一个环形或是多个环形区域内，使用的激光光束横模模式为TEM00，因此未整形前的能量分布呈高斯分布。图2a是激光光束能量由高斯分布整形为单个圆环状分布的示意图，图2b是激光光束能量由高斯分布整形为两个圆环状分布的示意图。以此类推，由高斯分布可整形为多个圆环状的分布。
光束整形的方式可以是几何光阑，通常使用环状缝隙来形成一个环形或是多个环形区域。也可以使用空间光调制器(Spatial Light Modulation，SLM)或是可变形反射镜(Deformable Mirror，DM)，利用改变激光光束相位的方式改变激光能量的分布方式，形成一个环形或是多个环形区域。也可以使用衍射光学透镜(DOE)改变激光相位形成一个环形或是多个环形区域。空间光调制器(SLM)和可变形反射镜(DM)能够灵活改变光束相位分布，最终形成各种能量分布形状，但不能承受较高的激光功率密度。衍射光学透镜(DOE)相对于空间光调制器(SLM)和可变形反射镜(DM)，以固定的形成单一能量分布，不具备可变换的性质，但能够承受较高的激光功率密度。因此优选使用衍射光学透镜(DOE)来实现光束的整形。
激光从光束首次整形装置7出射后进入光束二次整形装置8，光束二次整形装置8由光束二次整形装置控制单元200控制，对经过首次整形过后的激光光束进行再次整形，实现对激光光束能量分布及其大小的调节，并且具备电动连续可调节的特点。光束二次整形装置8的原理在于控制经首次整形过后环形分布的能量大小及分布范围，从而实现动态控制焦点分布范围的控制。图3为光束能量经光束首次整形装置7和光束二次整形装置8整形后，形成焦点在有限范围内分布示意图。激光器出射的光束通过光束首次整形装置7和光束二次整形装置8之后形成具有一定能量以及分布形状的激光光束L1，光束L1经聚焦镜11汇聚后在有限范围FL内形成多焦点分布。
光束通过光束二次整形装置8的能量与焦点分布的范围成正比。同时，对于多环分布结构，通过增减环的数量可以增减焦点分布的范围。实际使用时，如图4所示，光束通过光束二次整形装置8增加能量分布及大小后，经过第三反射镜9和第四反射镜10之后进入聚焦镜11，焦点分布范围由FL1增加至FL4。相反，通过光束二次整形装置8减少能量分布及大小后，焦点分布范围由FL1减少至FL2或FL3。
如图5所示，激光光束形成有限范围FL内分布的多焦点后，通过控制系统100调节Z轴升降运动单元3的高度位置，使焦点分布范围FL包含被加工对象12，并且由控制系统100控制X-Y轴运动平台2做相对于聚焦镜11的运动，从而在被加工对象表面以及内部形成由爆裂点组成的截面，称之为爆裂面14。如图5所示，实际使用时，当爆裂面14的高度大于被加工对象12的厚度时，在被加工对象12的上下表面以及内部均会产生爆裂点。通过光束二次整形装置8调节多焦点分布的有限范围FL后，爆裂面14的高度可小于被加工对象12的厚度。在此情况下，通过控制系统100调节Z轴升降运动单元3至合适的高度，可仅在材料内部形成爆裂面14，而材料上下表面无损伤。
激光在被加工对象12表面及内部形成爆裂面后，可能不会完全断裂开，会有一定的结合强度。需要借助外部的形式使被加工对象完全断裂开。一种方式是使用机械外力垂直作用于爆裂面使之弯曲断裂。使用机械外力的分离方式只能处理直线形状的图形，而不能处理曲线或者封闭图形。
由于本发明所形成的有限的焦点分布范围仍可大于被加工对象的厚度，因此可在被加工对象的上下表面以及内部形成爆裂点，从而形成贯穿材料厚度的损伤截面。在此前提下，可使用化学溶剂腐蚀的方式使被加工对象完全分离。将经激光加工过后的物体浸没于化学溶剂中，由于爆裂点的化学结构及表面面积与周围未经激光加工处理区域存在不同，因此化学溶剂对于爆裂点区域内的材料溶解速度远远高于周围未经激光加工处理的区域。溶解过程从材料表面的爆裂点开始，沿着爆裂面向材料内部进行，最终使得爆裂面所在区域内部及其附件微小区域内的材料迅速溶解，形成缝隙使材料完全断裂开。材料表面须存在激光爆裂点，如图6中所示S1。以此爆裂点为起点逐步向材料内部溶解，最终使材料完全断裂开来。使用化学溶剂分离被加工对象，可以处理直线、曲线以及封闭曲线等加工图形，通常化学溶剂中含有盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸等强酸溶液。可以是单一种类的酸液，也可以是按照不同比例混合的酸性溶液。
如图7，激光在蓝宝石内部形成的爆裂点照片示意图，可以清晰的观察到材料内部沿竖直方向(光传播方向)分布的离散爆裂点核心13。同时，也展示了在材料内部横向不同位置形成的多各爆裂点竖直区域。采用的激光光束波长为1064nm，激光脉冲宽度为12皮秒，脉冲能量100～200uJ。
综上所述，本发明采用有线范围内多焦点分布激光加工的方法实现激光划线与切割，基于激光应力诱导切割技术的延展技术通过增加沿光轴方向的焦点数量实现脆性透明材料的加工；同时辅助以机械外力裂片或者化学腐蚀的方式实现材料的完全分割。可以向下兼容激光应力诱导切割方法并且改善激光应力诱导加工的一些弊端。
焦点在有限范围内分布，分布的范围可大于被加工材料的厚度，从而使加工次数最少可降低至一次，相比激光应力诱导切割方法中所使用的多次往返切割，切割效率显著提升。
相邻焦点紧密分布，截面粗糙度得到显著改善；相对于表面烧蚀的方法，可以使侧壁垂直度大于89°，近乎于垂直，侧壁粗糙度大为改善。
在激光加工的基础上，辅以机械方式或者化学腐蚀的方法进行材料分离，从而实现任意图形材料的切割分离，解决激光应力诱导切割无法实现钻孔等封闭图形加工的缺陷。实现和满足大部分二维平面图形的加工要求，包含加工各种异形孔。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。