用于通過(guò)超短聚焦脈沖激光束制造線狀成列的破壞部位的方法;用于借助超短聚焦激光 ...的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于借助超短脈沖激光分離工件和基材的準(zhǔn)備。使用特別是預(yù)加應(yīng)力的玻璃或玻璃陶瓷作為工件材料。本發(fā)明也涉及工件的分離。
【背景技術(shù)】
[0002]由WO 2012/006736 A2公開了通過(guò)克爾效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致在玻璃中形成長(zhǎng)絲(Filament)形式的不可逆的破壞。這些在玻璃中的彼此串聯(lián)的破壞能夠?qū)崿F(xiàn)分離透明基材。長(zhǎng)絲通過(guò)超短激光脈沖生成。在此，激光輻射在玻璃內(nèi)部由于克爾效應(yīng)而自聚焦，直至能量密度在一個(gè)點(diǎn)高至點(diǎn)燃等離子。發(fā)生等離子爆炸，其中，玻璃在這些等離子生成部位周圍遭受不可逆的破壞。其他自聚焦且在等離子爆炸中結(jié)束的光束從那里發(fā)出。這種效應(yīng)視強(qiáng)度而定地重復(fù)多次。能量在整個(gè)玻璃厚度上減小，因此第一等離子點(diǎn)具有最大的能量并且也產(chǎn)生了最大的破壞。此外，等離子點(diǎn)是圓形的，這導(dǎo)致沿所有方向發(fā)散的缺陷統(tǒng)計(jì)分布地出現(xiàn)。
[0003]對(duì)于具有壓入的應(yīng)力的玻璃、例如對(duì)于以化學(xué)方式預(yù)加應(yīng)力的玻璃，可以發(fā)生自發(fā)的自斷裂。這正好顯著影響了較大玻璃板的加工。由于斷裂導(dǎo)致玻璃板的位置改變。無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的精加工。
[0004]專利文件DE 103 13 044 B3說(shuō)明了一種切割材料或給材料鉆孔的方法。在此，也充分利用了由于高強(qiáng)度超短激光脈沖而出現(xiàn)的非線性光學(xué)效應(yīng)，以便借助激光輻射的交替的聚焦和散焦產(chǎn)生長(zhǎng)絲。因此，長(zhǎng)絲是通過(guò)高強(qiáng)度激光光束產(chǎn)生的小直徑的通道。
[0005]此外，文獻(xiàn)DE 10 2006 042 280 Al說(shuō)明了一種通過(guò)激光加工透明材料的方法。根據(jù)DE 10 2006 042 280 Al，采用超短激光脈沖，以便不僅在材料上產(chǎn)生表面溝紋而且在材料的體積內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)激光改性的區(qū)域。最終導(dǎo)致分離的裂口在表面劃痕結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，并且向下穿過(guò)基材材料地進(jìn)一步擴(kuò)展。在表面溝紋過(guò)于平的情況下，裂口易于發(fā)生迀移。對(duì)具有保持不變的高品質(zhì)的斷裂棱邊的產(chǎn)生并沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明。
[0006]DE 10 2007 028 042 B2也說(shuō)明了一種對(duì)透明材料進(jìn)行激光加工的方法，其中，使用在納秒范圍內(nèi)的脈沖激光束。根據(jù)DE 10 2007 028 042 B2，給出的光束強(qiáng)度范圍，其中，出現(xiàn)了材料改變，而沒(méi)有出現(xiàn)等離子輝光。
[0007]總之，公知有不同方法，它們能夠?qū)崿F(xiàn)借助超短脈沖激光束在材料的體積中對(duì)區(qū)域進(jìn)行改性，并且進(jìn)而提供分離方法的組成部分。但例如對(duì)于分割以這種方式改性的基材所需的分離和分裂，迄今還沒(méi)有可用的充分工業(yè)化的工藝。該問(wèn)題特別是針對(duì)包括預(yù)加應(yīng)力的玻璃和玻璃陶瓷在內(nèi)的基材提出，這是因?yàn)檫@種基材在其通過(guò)超短脈沖激光束加工時(shí)，由于預(yù)加應(yīng)力更易于不受控地分裂。
[0008]但是，針對(duì)工業(yè)化的應(yīng)用，不僅針對(duì)在基材中或上產(chǎn)生分離線需要精確控制，而且針對(duì)分離或者說(shuō)分裂也需要精確控制，以便能產(chǎn)生帶有保持不變的高品質(zhì)的斷裂棱邊，并且保障該過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。這特別是在預(yù)加應(yīng)力的玻璃的情況下是非常困難的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)激光束造成的材料改性可能導(dǎo)致裂紋不受控地出現(xiàn)以及擴(kuò)展，從而使精確地控制分離變得非常困難。
[0009]下面列出了問(wèn)題所在:
[0010]I)借助形成長(zhǎng)絲來(lái)進(jìn)行分離/鉆孔:由于工藝導(dǎo)致不均勻地構(gòu)造出長(zhǎng)絲:在產(chǎn)生長(zhǎng)絲的激光輻射的進(jìn)入側(cè)上，由于高的起始能量密度，與隨后的處在工件更深處的等離子點(diǎn)相比，點(diǎn)燃了相對(duì)更大的等離子體積，也就是說(shuō)，破壞的通道(即構(gòu)造出的長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu))在工件中錐狀地延伸。造成的破壞(微裂紋)因此在激光輻射的進(jìn)入側(cè)上明顯比在射出側(cè)上更強(qiáng)。定向的強(qiáng)度試驗(yàn)(四點(diǎn)彎曲等)表明:在0.7mm的玻璃厚度的情況下就已經(jīng)在棱邊強(qiáng)度上產(chǎn)生了明顯的區(qū)別。
[0011]2)等離子生成部位的空間幾何結(jié)構(gòu):通過(guò)自聚焦產(chǎn)生的等離子生成部位基本上擁有具有球?qū)ΨQ的能量分布的球?qū)ΨQ形式，其導(dǎo)致與方向無(wú)關(guān)的以統(tǒng)計(jì)分布形式圍繞等離子體積的微裂紋。由此，裂紋也伸入之后的斷裂棱邊中并且起降低強(qiáng)度的作用。
[0012]3)自發(fā)斷裂:在被施加以壓力的脆性材料形成長(zhǎng)絲時(shí)，在該過(guò)程期間發(fā)生不受控的自發(fā)斷裂，這導(dǎo)致廢品率提升。此外，通過(guò)自發(fā)斷裂還發(fā)生工件的位置偏移，這使自動(dòng)化的過(guò)程變得困難或者甚至完全阻礙了自動(dòng)化的過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明應(yīng)當(dāng)尤其是提高了所產(chǎn)生的棱邊的品質(zhì)。
[0014]對(duì)本發(fā)明在獨(dú)立權(quán)利要求中進(jìn)行了限定。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式和改進(jìn)方案從各從屬權(quán)利要求中得出。
[0015]通過(guò)本發(fā)明改進(jìn)了針對(duì)脆硬材料的分離過(guò)程。
[0016]I)多長(zhǎng)絲化(Multifilamentierung):相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，作為分開工件的分離準(zhǔn)備不僅通過(guò)產(chǎn)生單獨(dú)的錐狀延伸的長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且還通過(guò)使多個(gè)長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)的彼此串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。與利用單獨(dú)的貫穿工件的長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)的分離過(guò)程相比，這些長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)單個(gè)的長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)都是比較窄的，并且產(chǎn)生了明顯更少的橫向于長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)的微裂紋。這種單獨(dú)的長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)的較小錐度(=長(zhǎng)絲+微裂紋)在整體上產(chǎn)生了加工通道的更高的幾何準(zhǔn)確性以及在分離工件之后斷裂棱邊的較高的邊沿強(qiáng)度。
[0017]單獨(dú)的長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)通過(guò)皮秒/飛秒脈沖產(chǎn)生，其由激光輻射的射出側(cè)開始被劃分開并且在時(shí)間上錯(cuò)開，并被引入工件中?？梢酝ㄟ^(guò)多個(gè)脈沖序列在相同的激光功率下，在相應(yīng)地降低切割速度的情況下實(shí)現(xiàn)更大的切割深度。
[0018]2)等離子的空間幾何形狀可以通過(guò)特種光學(xué)元件來(lái)影響。產(chǎn)生了激光輻射光束的細(xì)長(zhǎng)形狀的橫截面，例如披針形的、橢圓形的或者水滴形的橫截面。由此，獲得了通過(guò)等離子爆炸產(chǎn)生的破壞/裂紋的能夠控制的優(yōu)選方向。
[0019]激光輻射光束的橫截面在倒圓或方向變換處應(yīng)當(dāng)以其在工件分離方向上的縱向延伸尺寸來(lái)調(diào)整/改變。
[0020]3)在保護(hù)氣體環(huán)境下的長(zhǎng)絲制造尤其是一種機(jī)械制造的概念，其中，制造設(shè)備被設(shè)計(jì)為使得實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)繞待加工的工件的氣體環(huán)境的限定的調(diào)節(jié)。
[0021]通過(guò)有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整的氣體環(huán)境，可以阻止或防止工件的自發(fā)斷裂。
[0022]本發(fā)明還涉及一種借助聚焦的激光束分離基材的方法，其包括以下步驟:
[0023]-給基材施加保護(hù)氣體環(huán)境，
[0024]-將超短脈沖激光束定向到基材上，其中，基材在激光束的波長(zhǎng)范圍中是透明的，
[0025]-通過(guò)激光輻射，在基材的預(yù)定體積中產(chǎn)生到達(dá)深處的、長(zhǎng)絲狀的材料改性，
[0026]-沿著通過(guò)材料改性而確定的分離線分裂基材。
[0027]通過(guò)脈沖的超短激光束可以在透明材料中導(dǎo)致兩種非線性光學(xué)效應(yīng)。一個(gè)是光學(xué)克爾效應(yīng)，另一個(gè)是激光輻射在等離子泡中的散焦效應(yīng)。這些效應(yīng)是已經(jīng)公知的并且因此應(yīng)僅簡(jiǎn)要地概述。
[0028]克爾效應(yīng)描述的是:透明材料(在激光束的波長(zhǎng)范圍中是透明的)的光學(xué)性依賴于施加或出現(xiàn)的電場(chǎng)強(qiáng)度的改變。隨著激光輻射，在透明材料中出現(xiàn)電場(chǎng)，其強(qiáng)度依賴于激光束光強(qiáng)。電場(chǎng)導(dǎo)致改變被輻射的材料的光學(xué)性能，其中包括提高折射率。這又導(dǎo)致激光束的自聚焦。
[0029]由于自聚焦以及由此導(dǎo)致的光束橫截面變小，與面積相關(guān)的功率密度強(qiáng)烈地增大，因此光束強(qiáng)度強(qiáng)烈地增大并且可以達(dá)到非常高的值。由此，電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，這導(dǎo)致多光子離子化。在分子或原子的情況下，離子化指的是電荷分離以及在聚焦點(diǎn)處的等離子形成。在任何情況下，在聚焦點(diǎn)處都產(chǎn)生對(duì)基質(zhì)材料的破壞，其在之后也被稱為材料改性并且表現(xiàn)為等離子泡。
[0030]在局部出現(xiàn)等離子泡的區(qū)域中，發(fā)生激光輻射的散焦，下一激光輻射聚焦又與該散焦緊挨著。以這種方式，可以在基材材料中產(chǎn)生一種珍珠鏈，其由多個(gè)彼此相繼成列的聚焦區(qū)域和散焦區(qū)域組成并且被稱為長(zhǎng)絲。
[0031]通過(guò)聚焦和散焦導(dǎo)致基材材料中的激光輻射的擴(kuò)展，其中，材料在深處經(jīng)受一種穿孔。對(duì)于加工例如玻璃的透明材料，這種效應(yīng)是公知的并被利用以便例如通過(guò)基材相對(duì)于激光束的運(yùn)動(dòng)而在基材中產(chǎn)生一種穿孔的線作為預(yù)定斷裂部位或者說(shuō)分離線。
[0032]通過(guò)更高的激光功率，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)更深的穿孔，其使得在穿孔區(qū)域中進(jìn)行分離變?nèi)菀住?br>[0033]但是，有問(wèn)題的是在預(yù)加應(yīng)力的玻璃(也就是說(shuō)在起始狀態(tài)下已經(jīng)具有提升的內(nèi)應(yīng)力的材料)的情況下使用更深的穿孔。如在W02010/006736 A2中所描述的那樣，由于提升的內(nèi)應(yīng)力，可能會(huì)在被穿孔的區(qū)域中產(chǎn)生自發(fā)