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衍射光束整形优化激光玻璃切割工艺

时间:2021-08-18 来源:新特光电 访问量:1027

从传统上说,可以通过机械方式切割玻璃,使用锋利和坚硬的工具,例如金刚石或硬质合金轮,沿着要切割的区域在玻璃上切割。接下来,玻璃通常会被机械力折断,进而导致最初的裂纹完全穿透玻璃。

近年来,随着激光市场的不断发展和高功率激光器具有可用性和合理的成本,由于激光加工技术可以提供更高的质量和产量,许多传统的机械加工流程(其中包括玻璃切割,特别是在新的及新兴应用中)正在向激光加工过渡。

激光玻璃切割

激光玻璃切割

激光切割,一种非接触式技术,能够减少或完全避免机械技术带来的危险。例如,机械切割会产生微裂纹,折断会产生碎屑,并且切割边缘需要经过额外的研磨和抛光过程,才能形成平滑的表面光洁度,因此,这样既耗时又增加了制造成本。另一方面,激光切割可以最大限度地减少微裂纹和小碎片,不会在玻璃中产生应力,从而导致边缘强度更高,这对于在玻璃上不断施加作用力的触摸显示器尤其重要。此外,激光切割玻璃可以承受的作用力是机械切割玻璃的两到三倍。

一些应用:利用这些经改进特性的应用,包括平板显示器(FPD)、电子消费产品和汽车行业,这些行业需要非常薄的玻璃基板、高速操作和复杂的几何形状。

激光玻璃切割技术

利用激光功率加工玻璃有几种不同的技术。最早提出的一种方法是激光划线和断裂技术。在这种方法中,波长为10.6um的CO2激光通常用于加热沿玻璃产生裂纹的窄线,随后施加机械力来断裂玻璃。有时会使用额外的激光。一种更加先进的方法,采用控制断裂技术,由于吸收光能而形成热梯度,产生热机械应力,从而在玻璃中产生裂纹。这个过程通常比划线和断裂需要更少的激光功率,因为它是在玻璃转化温度以下进行的。这种设置的一个示例是激光和水射流的混合组合,其中激光沿着切割模板扫描,接着受照面通过液体冷却,导致热冲击,热冲击沿着切割线形成裂纹。所描述的方法都是加热方法,因此,高斯激光束在玻璃上的聚焦很少足以实现高质量的加工特性,因为单独聚焦可能导致玻璃在高斯强度峰值处液化,进而导致不符合希望的微裂纹。为了克服这一点,通常使用光束整形器,在所需的能量阈值下产生均匀的能量强度。该光束也可以被整形为直线或其他所需的几何形状以增加产量。随着高能超短脉冲激光器(USP)的引进,人们发现,它们在玻璃切割应用中非常有用,因为它们的高能脉冲产生机械应力,而短脉冲则减少了玻璃的热加热,避免熔化和微裂纹问题。不仅CO2激光器有效,近红外激光器被发现在快速脉冲下也是有效的。这种方法的局限性之一就是对于薄基片有效率,但是对于较厚的基片,需要采用其他解决方案,例如多次扫描和扫描仪或激光头的Z移动。使用这种技术切割厚玻璃(> 500微米)具有独特的挑战,因为激光能量需要聚焦到一个窄点,然后沿玻璃深度均匀地分布。

通过将高能激光设置为精确的配置,就可以产生自聚焦现象,直到在玻璃内部产生一种“成丝”现象。“成丝”一词,有时也用于在玻璃内部形成“细丝”的其他方法,如DeepCleave和衍射锥透镜,我们将重点关注这两种解决方案,因为它们易于实现,并且可以以简单的方式添加到激光系统中。我们所提供的这些解决方案也是通用的,它们不需要特殊的激光器配置,可以用于许多类型的透明基板。

衍射光束整形解决方案

对于采用上述热加工法的客户,我们拥有各种各样的平顶光束整形器,用于产生平顶均匀分布的聚焦能量,以进行精确处理。DeepCleave模块是最好的解决方案。这是一个提供最佳性能的完整的光学解决方案。用于产生长焦深聚焦贝塞尔光束功能的衍射锥透镜是玻璃切割的组件级别的解决方案。衍射锥透镜增加了光束的焦深,使得能够用一个薄型平板元件完成透明材料的加工,这与折射衍射轴棱锥不同。这些组件可以与具有灵活输入光束直径的单模和多模激光器一起使用,并且通常需要外部聚焦光学元件。Holo/Or为激光玻璃切割应用提供的另一个解决方案就是衍射多焦点衍射光学元件,它显示出经改进的斜切效果。这种独特的衍射光学元件在聚焦轴上分离光束,并以受控的间距产生多个焦点。这种组件的最佳效果通常与多焦点模组一起使用时实现,该模组的数值孔径为0.45NA,通光孔径为20mm。

DeepCleave模块——激光成丝切割模组

DeepCleave是一款革命性的激光玻璃切割产品,通常称为FI optics(成丝切割),即激光焦点被拉长成丝状,沿Z轴均匀分布。此外,DeepCleave还是一种衍射光学模组,用于沿聚焦深度(DOF)增加的区域以恒定峰值功率,将单模高斯输入光束聚焦到束腰约为1.8 um的窄点上,通常范围为0.25-3 mm。获得的聚焦光斑相当于0.35 NA的物镜,使DeepCleave模组成为一个完整的光学解决方案,无需使用额外的较高NA物镜或其他高成本光学器件。

DeepCleave激光成丝切割模组通常用于近红外波长范围的激光玻璃切割应用,非常适合切割厚玻璃,例如平面玻璃。尽管如此,在绿色可见光范围内的应用也在一些微观应用中取得了成功。

每个DeepCleave激光成丝切割模组在出厂时都附有一份全光特性和单独的测试报告。

DeepCleave光学设置

DeepCleave光学设置

为什么选择DEEPCLEAVE用于激光玻璃切割应用的原因:

  • 单脉冲切割全深度玻璃。

  • 在单个模块中提供完整的解决方案。

  • 具有非常低的像差水平,光斑直径<2um。

  • 易于集成到现有的光力学元件中。

DeepCleave玻璃切割模块

DeepCleave玻璃切割模块

DEEPCLEAVE强度分布的实时测量

DeepCleave ZT模块007-I的实时测量,通过使用移动镜头+物镜装置以大约X5的放大率完成。

DEEPCLEAVE相对于激光玻璃切割应用替代解决方案的优势

虽然替代解决方案(例如产生具有长焦深焦距的类贝塞尔光束的标准衍射轴棱锥),也适用于激光玻璃切割应用,但DeepCleave是一种更好的解决方案,因为它在平顶形状之外几乎没有“浪费”能量,这是因为它具有尖锐的传输区域,与标准贝塞尔光束解决方案不同,在标准贝塞尔光束解决方案中,根据定义,贝塞尔形状要么能量“超出”阈值,要么在阈值以下的“尾部”浪费能量。

DeepCleave的这些特性可以转化为以下主要工艺优势:

  • 通过在有效脉冲区域内实现最佳能量分布来提高产量,这与标准的Axicon不同,能够降低切割相同基底厚度的处理能力

  • 在进程阈值设置为略低于DeepCleave强度水平时,与施加相同功率的标准贝塞尔光束相比,通过使用相同的处理功率来增加玻璃厚度,DeepCleave可以切割大约2倍厚的玻璃。

下图展示了这些优势,图中展示了当对于两者施加相同的能量时,DeepCleave 与 Axicon 沿聚焦轴的强度:

沿聚焦轴的DeepCleave与类贝塞尔光束的强度水平

沿聚焦轴的DeepCleave与类贝塞尔光束的强度水平。

DEEPCLEAVE模块的规格范围

波长 1030纳米, 1064纳米, 以及其它定制需求
光束模式 单模M2<1.3
在空气中的聚焦深度 0.25-3 毫米
束腰半径 (exp-2) 1.8 微米
效率 ~93%
工作距离 7.4-15 毫米
外形尺寸 直径30.5 毫米* 长度106-250 毫米
光学元件材料 石英玻璃
涂层 所有的光学元件都是AR涂层

衍射锥透镜—一种用于长焦距的贝塞尔光束发生器

激光玻璃切割更基本的组件级别解决方案是贝塞尔光束。贝塞尔光束是由入射高斯光束在衍射轴棱锥上干涉叠加形成的,导致长、窄、紧的细丝,这种细丝被较高干涉阶的圆形所环绕,这实际上是一个长焦深

衍射轴棱锥贝塞尔光束

衍射轴棱锥贝塞尔光束

为了实现贝塞尔光束的长焦深聚焦功能,Holo/Or提供了一种衍射锥透镜,也称为长焦深元件,这是一种特殊类型的衍射光学元件(DOE),它是一种窗格状组件,通过微结构改变穿过它的光的相位。

长焦深衍射光学元件产生贝塞尔光束,然后可以使用外部透镜进行聚焦。当聚焦时,贝塞尔光束比高斯光束具有更长的聚焦深度,聚焦时,能量密度相应降低。贝塞尔光束的聚焦深度(DOF)由衍射轴棱锥角决定,而中心光斑的直径与衍射极限尺寸相似。入射光束的直径、波长和物镜焦距(EFL)将影响聚焦深度(DOF)和光斑尺寸。

配置衍射锥透镜与高斯光束的长焦深衍射光学元件

配置衍射锥透镜与高斯光束的长焦深衍射光学元件

衍射锥透镜与折射轴棱锥的优势

衍射锥透镜,很像折射轴棱锥,产生贝塞尔光束,但通过几次测量,发现它是折射轴棱锥的一个更好的解决方案。

  • 具有绝对角度精度,轴锥角无公差。

  • 衍射轴棱锥尖端无死区 – 整个区域具有相同的光学性能。

  • 精确和无噪声的相位产生完美的贝塞尔光束。

  • 角度可以尽可能小,实现直接聚焦深度(DOF)区域控制,无需任何放大。

  • 无热敏性 – 在所有条件下,性能都是恒定的。

  • 衍射锥透镜是扁平轻薄的光学元件,提供了一种更紧凑、更优雅的解决方案,与折射轴棱锥体相比,更容易集成。

衍射锥透镜与折射轴棱锥

衍射锥透镜与折射轴棱锥

衍射锥透镜的规格范围

材料 石英玻璃,硒化锌,塑料
波长范围 193纳米 到10.6微米
DOE设计 两级,8级,16级
元件尺寸 5毫米 到150毫米
衍射效率 75%-98%
涂层 AR/AR

以色列Holo/Or衍射光学元件DOE

以色列Holo/Or于1989年成立,至今已经有26年的历史。Holoor设计和生产各种衍射光学元件(DOE)和微光学元件,应用于高精度和高功率和激光器,目前世界上只是极少数公司具有该项技术。Holo/Or的主要客户包括医疗/美学激光,材料加工激光,计量激光和激光系统集成商等。新特光电在大中华地区全面代理Holo/Or的全系列产品,竭诚为各位激光行业的朋友提供服务。

Holo/Or能够实现对激光能量分布的各种调制,例如激光分束、激光聚焦、激光采样、激光整形、平顶激光光斑、轴向多焦点长焦深、匀光扩散、双波长等各种对激光能量分布的控制。得益于研发团队的超强设计能力,Holo/Or的衍射光学元件DOE具有高效率、高精度、高均匀性、小尺寸、重量轻和高损伤阈值的特点,我们还可针对客户的特定应用快速提供定制化的服务。目前,Holo/Or已经在全球积累了数百家客户,和全球知名的激光公司有些广泛而紧密的合作。

Holo/Or的衍射光学元件(DOE)使用透镜表面的微纳结构,改变激光的相位。通过恰当的设计,可以使入射激光按照任何期望的强度进行排布,从而对激光进行精准操纵。这种技术能够使许多不符合标准折射光学系统的功能与光操纵变为可行。Holo/Or的衍射光学元件在许多激光应用中都发挥了重要作用,例如激光加工、激光打标、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光热处理等领域。

光束整形衍射光学元件

  • 平顶光束整形

  • M-Shape光束整形器,M波形光束整形元件/透镜

  • 圆环激光发生器,激光多圆环发生器,激光圆环衍射光学元件

  • 涡镜头(产生微圆环光斑),漩涡镜头,激光轴棱镜

  • 激光匀光器,激光扩散器(使激光均匀地扩散成一个平面)

光束整形衍射光学元件

光束分光衍射光学元件

  • 一维激光分束器,一维激光光束分束元件

  • 二维激光分束器,激光二维分束元件

  • 客制化激光光束分束器,客户定制的激光分束元件,各种光能量分布,定制激光图形

  • 激光光栅,衍射光栅

  • 激光采样器,激光采样元件,激光分光元件,激光取光元件

光束分光衍射光学元件

聚焦控制衍射光学元件

聚焦控制衍射光学元件

除了以上成熟的应用在外,武汉新特光电还愿意和客户一块开拓更多衍射光学元件的应用领域。例如以下领域:

  • 折衍混合透镜

  • 光束均匀/匀光器

  • 光束准直

  • 光束的分束与合束

  • 光学图象处理

  • 微型光谱仪

  • 光束扫描

  • 光盘读数头

  • 各种激光加工

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