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纳秒激光去除玻璃材料技术加工机理特点

纳秒激光去除玻璃材料技术加工机理特点

由于其独特的性质,透明玻璃材料广泛应用于消费电子、医疗设备、汽车工业等领域,导致市场对高质量、高效、数字玻璃加工技术的不断追求。在此过程中,激光加工在透明玻璃材料加工领域的工业应用日益突出。同时,各种激光和激光加工设备都得到了快速的设备。

目前,市场上常见的玻璃激光切割材料加工方法分为:二氧化碳激光加热裂纹、超快激光丝切割、纳秒激光去除材料加工和皮秒激光去除。

一、CO2激光器加热裂片

与传统的机械或水射流处理方法相比,二氧化碳激光为玻璃处理提供了高质量、高效(快速处理)、经济(易于获得高激光功率)的激光处理方法。但由于表面标记加热裂纹处理机制的限制,二氧化碳激光玻璃处理主要局限于线性切割,难以反映复杂处理图形中固有的优势。

玻璃激光切割

二、超快激光成丝切割

近年来,激光透明玻璃材料的一种新型加工方法——激光丝切割。当超快激光强脉冲聚焦于透明玻璃材料时,超快脉冲出现在玻璃材料中,形成高能密度自传通道,称为丝。

当激光脉冲强度高于透明玻璃材料的损伤阈值时,激光丝在玻璃中产生数十微米的高深宽比损伤通道。通过控制光束和样品的相对位置,可以实现玻璃材料中的特定破裂几何轨迹。最后,最终样品切割是通过切割部分从底部脱落或辅助开裂来实现的。激光丝切割技术的新颖性引起了市场的极大关注,其优点非常明显——切割速度快,几乎没有碎片,样品边缘强度高。

然而,在1515毫米以下的孔或片状玻璃材料时,激光丝切割后的样品往往难以顺利脱离基础。其次,激光丝加工对激光光源脉冲强度的均匀性、光束在介质中传播的稳定性、等离子体散焦的调节等都有很高的要求,使得超快激光丝工业应用设备的成本相对较高。

 

三、纳秒和皮秒激光去除材料加工

透明玻璃材料采用另一种激光去除材料。与玻璃表面CO2激光的加热标记和超短脉冲玻璃内的丝裂不同,激光去除材料主要基于单个激光脉冲对基础材料的逐点作用和空间中激光焦点的快速扫描和移动,并根据预定的设计路径实现材料的去除。常用的激光器是高频纳秒绿光激光器,脉冲宽度小于10ns。该方法更加灵活,可逐步去除各种玻璃材料,逐层选择性高可控材料,可视为高精度、高效的数字激光玻璃切割技术。

玻璃材料的机制不是传统材料热熔后辅助气体排出或气化,而是激光脉冲在有限空间内引起的局部热应力梯度造成的材料破裂。据估计,在典型情况下,激光脉冲去除玻璃材料的数量只有几十纳克或更小,相应玻璃颗粒的大小约为20或30微米至几微米。以普通钠钙玻璃为例,单位激光脉冲能量下的材料去除量可达150μm3/μJ。目前,与0.5mm厚的钠钙玻璃相比,报告的最大切割速度可达25-30mm/s,预计随着加工工艺的改进而进一步提高。需要注意的是,固体绿光激光在这一应用中存在一定的缺点。为了确保脉冲宽度小于10ns,固体激光很难达到重复频率高于150km/s,这在很大程度上影响了对切割速度的追求。光纤激光器具有相对优点,可调节到300kHz或500kHz的重复频率,同时保证脉冲宽度不变。

由于纳秒激光去除材料技术加工机理的特点,在加工过程中,切割槽宽度一定,切割边缘坍塌边缘不规则。通常,纳秒绿光加工透明玻璃材料可控制在100μm左右,通过调整脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、光束扫描路径等因素。在特殊情况下,如超薄玻璃和相对较小的加工,最大坍塌边缘可控制在50μm-80μm之间。

对于蓝宝石或玻璃的精密加工,有时坍塌边缘要求很高(20μm),然后可用于激光去除玻璃材料。皮秒激光加工依赖于冷加工过程,可以大大提高透明玻璃材料加工的精度和功能。在传统的金属材料加工中,为了有效抑制热影响区(HAZ),确保材料去除率,脉冲宽度小于10ps已成为材料加工领域的广泛共识。对于透明玻璃材料的加工,50ps脉冲宽度的皮秒激光也能获得20μm的加工质量和较高的加工速度,很好地平衡了加工质量、速度和成本的选择。


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