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利用1064nm皮秒激光加工石英玻璃精密划线工艺研究

2015/6/26    来源:互联网    作者:李勇  朱芸      
关键字:玻璃切割  皮秒激光  工艺参数  
对激光精密加石英玻璃切割工艺进行了实验研究,探讨了不同的工艺参数对加工效果的影响。

    石英玻璃是一种常见的光学材料,具有优异的光学性能,机械性能和化学稳定性,强度高、硬度大、耐冲刷,质地均匀,被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强激光窗口材料、LED及液晶显示技术等光学应用领域。石英玻璃硬度大,传统机械加工方式刀头易磨损,难加工,导致CNC刀头损坏. 此外石英玻璃材料的脆性很大,尤其是当石英玻璃材料的厚度小于1mm时,传统的刀具加工方式容易导致应力碎裂,很难满足实际应用中微细加工的精度要求。激光加工作为一种非接触式的微细加工方式,现已广泛应用于各种材料加工领域。对石英玻璃薄片的切割,采用激光切割的方式无疑是最好的选择。在石英玻璃材料皮秒激光精密加工的研究方面,国内外尚鲜见报道,目前报道的主要是使用355nm的紫外光和532nm的绿光,且加工精度不高,使用飞秒激光进行石英玻璃材料加工虽然精度可以达到很高,但是加工成本昂贵。使用1064nm红外激光切割石英玻璃材料的研究,也曾有过报道,但加工效率及精度比较低,加工效果不好。本文首次利用Fianium公司生产的FP1060-20的红外20W皮秒激光,对石英玻璃高效精密划线切割的工艺进行了深入研究。

1 实验

    1.1 实验原理

    激光切割石英玻璃主要有两种方法,一种是划线切割,一种是熔融(气化) 切割。本文研究的是划线切割。激光划线是采用脉冲激光在石英玻璃上沿直线打一系列互相衔接的盲孔或者通孔,由于应力集中,稍加力,石英材料便准确地沿此线折断,这就是所谓的玻璃划线切割。与穿透切割相比,划线切割具有线宽小,热影响区小,挂渣少,所需功率低等特点,目前得到广泛的应用。

    1.2 光源的选择

    石英是一种光学材料,光学性能优异。从紫外到红外波段都有很好的透光性。在波长260nm至2500nm范围内,光学透过率T>90%。激光加工效率的高低与材料对激光的吸收率相关。材料对激光吸收率

α=1-R-T(1)

    式中α为材料对光的吸收率,R为材料对光的反射率,T为材料对光的透过率。

    由(1)式可以看出,材料对常见的激光的吸收率很低,激光要想对石英玻璃进行切割或者打孔,必须要有很高的功率密度,这就要求激光的功率高,作用时间长,而由于石英材料本身的脆性,红外激光的长时间的照射所产生的热应力容易使石英材料产生不规则裂纹。355nm紫外光也很难使石英材料的化学键发生断裂。而超快激光,具有更高的峰值功率和脉冲频率,是石英玻璃切割光源的不错选择。本实验选用平台配置见表1。

表1 实验平台配置

实验平台配置

a.Fianium皮秒激光器 b.加工系统原理图

图1 a.Fianium皮秒激光器 b.加工系统原理图

    1.3 工艺参数的选择

    石英玻璃激光划片,经过简单的理论推导可以得到以下公式:

公式

    式中:PL为激光峰值功率;v为划线速度;h为划线深度;b 为划线宽度;ρ为材料密度;c为比热;ΔT1为环境温度与熔点之差;L为熔化热;Φ为汽化材料占总切口材料的比例;ΔT2为熔点与沸点之差;B为汽化热。QR为单位质量被划材料的反应热。PL/vh为刻划单位面积断面所需的激光能量,称作有效功率密度,它与划线宽度成正比,并决定材料的密度及热物理性质。对每一种特定的基板材料,它为一特定的常数值。划线速度越高,则要求激光平均功率越大,划线的缝宽越细,则PL/vh 越小。

责任编辑:程玥
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