技术领域
[0001] 本
发明涉及激光切割领域，尤其涉及一种透明材料的激光切割装置及其应用的激光切割工艺。
背景技术
[0002] 随着手机、
平板电脑等
消费电子产品的持续增长，其对玻璃盖板、蓝
宝石窗口等透明材料的需求也在高速增长。高效高
质量的透明脆性材料切割方式有利于提高产品的机械性质以及降低透明脆性材料的加工成本。传统的透明脆性材料切割方式一种是以刀轮切割为主，通过数控机床控制刀轮的
位置，利用CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)
定位完成材料的切割。然而刀轮切割过程中会对材料产生应
力容易导致材料的崩边或碎裂；且刀轮经过长时间磨损，容易损坏，需经常更换；尤其是对于蓝宝石等高硬度的透明材料，刀轮切割效率很低且磨损很高；此外刀轮切割在切割小尺寸或复杂图形时会受到极大的限制。另一种透明脆性材料的激光切割主要采用自上向下切割的方式，逐层烧蚀材料直至材料被切穿；这种切割方式会在上表面产生大量
等离子体，阻碍激光的传播(等离子体屏蔽效应)，从而导致加工效率低、能耗大、热累积效应强等缺点；此外，自上向下切割得到的切割面会有一定的锥度。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种提高切割质量的透明材料的激光切割装置及其应用的激光切割工艺。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种透明材料的激光切割装置，其中，所述透明材料的激光切割装置包括
激光器、扩束镜、聚焦器、工作平台和伺服器，所述激光器发射激光至所述扩束镜，所述扩束镜对激光进行
准直后发射至所述聚焦器，所述聚焦器将激光聚焦于所述工作平台上的透明
工件，所述聚焦器的激光发射方向垂直所述工作平台
台面，并且控制所述激光聚焦点沿垂直所述
工作台台面方向移动，所述工作平台的台面包括固定区域和开口区域，所述固定区域用以固定住透明工件，所述开口区域用以对应于所述工件的待切割处，所述工作台台面背离所述聚焦器一侧设置有
真空腔，所述真空腔用以除 去透明工件的切割废料，所述伺服器电连接所述聚焦器，用以给定激光聚焦点起始位置
信号至所述聚焦器，所述激光聚焦点起始位置位于所述穿透区域背离所述工件一侧。
[0005] 其中，所述透明材料的激光切割装置包括抽离装置，所述抽离装置安装于所述真空腔，用以抽离所述真空腔内空气以及透明工件的切割废料。
[0006] 其中，所述透明材料的激光切割装置还包括吹气装置，所述吹气装置安装于所述工作平台放置所述透明工件一侧，用以冷却所述透明工件以及吹除所述透明工件的切割废料。
[0007] 其中，所述聚焦器包括振镜，所述振镜对所述扩束镜的
激光束进行偏转，并聚焦于所述透明工件上。
[0008] 其中，所述聚焦器包括反射镜和聚焦镜，所述反射镜将所述扩束镜的激光束反射至所述聚焦镜上，所述聚焦镜将激光束聚焦于所述透明工件上。
[0009] 其中，所述透明材料的激光切割装置还包括光束整形器，所述光束整形器设置于所述激光器和所述扩束镜之间，用以将所述激光器发射出的激光束进行光束整形后发射至所述扩束镜。
[0010] 其中，所述透明材料的激光切割装置还包括
脉冲整形器，所述脉冲整形器设置于所述激光器和所述扩束镜之间，用以对所述激光器发射出的激光束进行脉冲整形后发射至所述扩束镜。
[0011] 本发明还提供一种激光切割工艺，其中，所述激光切割工艺运用上述任意一项所述的透明材料的激光切割装置，所述激光切割工艺包括步骤：
[0012] 将透明工件放置于所述工作平台上，并将透明工件的待切割位置对应于所述穿透区域；
[0013] 控制所述伺服器给定激光切割点起始位置信号至所述聚焦器；
[0014] 开启所述激光器，调整所述聚焦器对激光束进行聚焦；
[0015] 控制所述聚焦器的激光聚焦点对所述透明工件进行切割。
[0016] 其中，所述激光器发射的激光
波长范围为355nm～1064nm。
[0017] 其中，所述激光器发射的激光束为纳秒激光、皮秒激光或者飞秒激光。
[0018] 本发明提供的透明材料的激光切割装置及其应用的激光切割工艺，通过所述聚焦器对所述工件切割时，设置激光切割点起始位置位于所述穿透区域背离所述工作台面一侧，进而实现所述激光切割点由所述工件背离所述聚焦器一侧 向另一侧进行切割，从而实现工件切割时无机械
应力，无机械磨损，加工图形不会受限，
切割线窄等优点，以及还有无等离子体屏蔽效应，
能量利用效率高，热效应小，切割速度快，切割面无锥度等优点。
附图说明
[0019] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1是本发明提供的第一实施方式的透明材料的激光切割装置；
[0021] 图2是本发明提供的第二实施方式的透明材料的激光切割装置；
[0022] 图3是本发明提供的第三实施方式的透明材料的激光切割装置；
[0023] 图4是本发明提供的第四实施方式的透明材料的激光切割装置；
[0024] 图5是本发明提供的激光切割工艺。
具体实施方式
[0025] 下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0026] 请参阅图1，本发明第一实施方式提供的一种透明材料的激光切割装置100，所述透明材料的激光切割装置100包括激光器10、扩束镜20、聚焦器30、工作平台40和伺服器(未图示)。所述激光器10发射激光至所述扩束镜20。所述扩束镜20对激光进行准直后发射至所述聚焦器30。所述聚焦器30将激光聚焦于所述工作平台40上的透明工件1，所述聚焦器30的激光发射方向垂直所述工作平台40台面，并且控制所述激光聚焦点沿垂直所述工作平台40台面方向移动。所述工作平台40的台面包括固定区域40a和穿透区域40b，所述固定区域40a用以固定住透明工件1，所述穿透区域40b用以对应于所述聚焦器30的激光束穿透，所述工作台40台面背离所述聚焦器30一侧设置有真空腔41，所述真空腔41用以除去透明工件1的切割废料。所述伺服器电连接所述聚焦器30，用以给定激光聚焦点起始位置信号至所述聚焦器30，所述激光切割点起始位置位于所述穿透区域40b背离所述工件1一侧。
[0027] 通过所述伺服器给定激光聚焦点起始位置信号至所述聚焦器30，进而所述聚焦器30的激光聚焦点由所述工件1
接触所述工作平台40台面处开始切割，至所述透明工件1靠近所述聚焦器30一侧结束切割，进而避免了所述透明工件1在切割时产生等离子屏蔽现象，进而提供高了所述透明工件1的切割质量。
[0028] 本实施方式中，所述激光器10发射
水平方向延伸的激光束，所述扩束镜20位于所述激光器10水平方向的一侧。所述扩束镜20沿水平方向对所述激光束进行准直，并发射至所述聚焦器30。所述聚焦器30对所述激光束进行聚焦，所述聚焦器30对所述透明工件1的照射方向竖直设置。当然，在其他实施方式中，所述激光器的还可以是发射竖直方向延伸的激光束，所述聚焦器对所述透明工件的照射方向还可以是水平设置。
[0029] 本实施方式中，所述透明材料的激光切割装置100还包括CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)定位装置(未图示)，所述CCD定位装置用以对所述聚焦器30的切割激光束进行定位，使得所述聚焦器30发射的切割激光束的照射方向垂直所述下表面1a，以及使得所述切割激光束的聚焦点在所述透明工件1上精准定位。
[0030] 本实施方式中，所述透明工件1可以是应用于手机屏的玻璃盖板，可以是显示器上的有机玻璃，还可以是其他显示设备上的透明板件。所述工作平台40所述透明工件1包括接触于所述工作平台40的下表面1a，以及靠近所述聚焦器30的上表面1b。所述聚焦器30的切割激光束对所述透明工件1进行切割时，首先会穿过所述透明工件1，使得激光聚焦点由所述下表面1a移动至所述上表面1b进行切割。进而所述切割激光束自所述下表面1a向所述上表面1b进行切割时，所产生的等离子位于远离所述切割激光束一侧，从而不会阻焊所述切割激光束的切割，即避免了等离子屏蔽现象，从而提高了所述透明材料的激光切割装置100的切割质量。
[0031] 进一步地，所述透明材料的激光切割装置100包括抽离装置50，所述抽离装置50安装于所述真空腔41，用以抽离所述真空腔41内空气以及透明工件1的切割废料。
[0032] 本实施方式中，在所述聚焦器30对所述透明工件1进行切割时，所述抽离装置50通过抽吸气流的方式，使得所述透明工件1在所述下表面1a所产生的等离子体、切割废料、
熔渣以及粉尘等随气流抽离于所述透明工件1，从而更加 有利于所述切割激光束对所述透明工件1的顺利切割。尤其是，所述抽离装置50还通过抽吸气流的方式，将所述下表面1a所产生的高温气流吸走，从而使得所述切割激光束对所述透明工件1的切割更加稳定。
[0033] 进一步地，所述透明材料的激光切割装置100还包括吹气装置60，所述吹气装置60安装于所述工作平台40放置所述透明工件1一侧，用以冷却所述透明工件1以及吹除所述透明工件1的切割废料。
[0034] 本实施方式中，所述吹气装置60作用于所述透明工件1的上表面1b。在所述聚焦器30对所述透明工件1进行激光切割时，所述吹气装置60将所述上表面1b的高温气流吹走，进而对所述透明工件1进行冷却，以及吹走所述上表面1b的粉尘、熔渣以及颗粒等透明工件1的切割废料，使得所述聚焦器30的切割激光束稳定，从而提高所述透明材料的激光切割装置100的切割质量。
[0035] 进一步地，所述聚焦器30包括振镜31，所述振镜31对所述扩束镜20的激光束进行偏转，并聚焦于所述透明工件1上。
[0036] 本实施方式中，所述振镜31对所述扩束镜20发射的激光束进行扫描，进而对所述激光束进行偏转，使得所述扩束镜20的激光束符合加工路径。在所述聚焦器30对所述透明工件1进行切割时，所述振镜31调整所述切割激光束的聚焦点按照加工路径在工作平面移动，并且通过调整所述振镜31在竖直方向上的位置，进而实现所述切割激光束的聚焦点沿垂直所述工作平台40的台面移动，进而实现对所述透明工件1的切割。
[0037] 进一步地，请参阅图2，基于对本发明的第一实施方式的改进，提供第二实施方式中，所述聚焦器30包括反射镜301和聚焦镜302，所述反射镜301将所述扩束镜20的激光束反射至所述聚焦镜302上，所述聚焦镜302将激光束聚焦于所述透明工件1上。
[0038] 本实施方式中，所述聚焦镜302靠近所述透明工件1，所述聚焦镜302沿竖直方向上下移动，实现所述切割激光束的聚焦点沿垂直所述工作平台40的台面移动，进而实现对所述透明工件1的切割，即实现在所述透明工件1上进行打孔，从而实现所述透明材料的激光切割装置100的多种切割方式。
[0039] 进一步地，请参阅图3，在基于本发明的第一实施方式
基础上，提供的第三实施方式中，所述透明材料的激光切割装置100还包括光束整形器70，所述光束整形器70设置于所述激光器10和所述扩束镜20之间，用以将所述激光器10 发射出的激光束进行光束整形后发射至所述扩束镜20。
[0040] 本实施方式中，所述光束整形器70为折射型或衍射型光束整形器件，用于改变焦点附近能量的空间分布，压缩焦深，防止在烧蚀工件下表面之前损伤材料内部，并且降低所述聚焦器30的切割激光束聚焦点的峰值光强，进而避免了所述聚焦器30在对所述透明工件1进行切割时产生强自聚焦，更进一步提高了所述激光切割装置100的切割质量。所述光束整形器70主要应用于所述激光器10发射皮秒激光的光束整形。当然，在其他实施方式中，所述光束整形器也可以针对于纳秒激光或飞秒激光的光束整形。
[0041] 进一步地，请参阅图4，在基于本发明的第二实施方式的基础上，提供的第四实施方式中，所述透明材料的激光切割装置100还包括脉冲整形器701，所述脉冲整形器701设置于所述激光器10和所述扩束镜20之间，用以对所述激光器10发射出的激光束进行脉冲整形后发射至所述扩束镜20。
[0042] 本实施方式中，所述脉冲整形器701包括第一反射光栅8a和第二反射光栅8b，所述第一反射光栅8a将所述激光器10的激光束反射至所述第二反射光栅8b，所述第二反射光栅8b将所述激光束反射至所述扩束镜20。所述脉冲整形70对所述激光器30的激光束进行两侧反射后，从而将激光器30的飞秒激光在空间上重合的各
频谱成分在空间上分散，进而达到对所述激光器30的激光束进行分光的目的，从而降低所述聚焦器30的切割激光束聚焦点的峰值光强，进而避免了所述聚焦器30在对所述透明工件1进行切割时产生强自聚焦现象，更进一步提高了所述透明材料的激光切割装置100的切割质量。本实施方式中的所述透明材料的激光切割装置100应用于所述激光器10发射飞秒激光。当然，在其他实施方式中，所述脉冲整形器还可以是其他的可实现将在空间上重合的各频谱成分在空间上分散功能的器件。
[0043] 请一并参阅图1和图5，本发明提供一种激光切割工艺，所述激光切割工艺运用所述透明材料的激光切割装置100。所述激光切割工艺包括步骤：
[0044] S01：将透明工件1放置于所述工作平台40上，并将透明工件1的待切割位置对应于所述穿透区域40b。
[0045] 本实施方式中，将所述透明工件1固定于所述固定区域40a上，即所述固定区域承托住所述透明工件1。
[0046] S02：控制所述伺服器给定激光切割点起始位置信号至所述聚焦器30。
[0047] 本实施方式中，所述伺服器将所述透明工件1的切割图形转换成
控制信号，进而控制所述聚焦器30对所述透明工件1进行切割，即所述伺服器除了给定所激光切割点起始位置信号至所述聚焦器10之外，还给定激光切割点运行路径信号至所述聚焦器30。
[0048] S03：开启所述激光器10，调整所述聚焦器30对激光束进行聚焦。
[0049] 本实施方式中，对所述激光器10接通电源，所述激光器10发射激光束至所述扩束镜20，所述扩束镜20将所述激光束进行准直后传送至所述聚焦器30，进而通过调整所述聚焦器30上的调整机构(未图示)，进而使得所述激光束聚焦于一聚焦点上。
[0050] 本实施方式中，所述激光器10发射的激光束波长范围为355nm～1064nm。根据材料的吸收特性选择合适的激光波长，以方便所述透明工件1在切割激光束的聚焦点附近产生较强的非线性吸收，而不会在功率
密度较小的区域内产生过强的吸收。当然，在其他实施方式中，所述激光器发射的激光束波长也可以是小于355nm或者大于1064nm。
[0051] 本实施方式中，所述激光器10发射的激光束为纳秒激光。由于纳秒激光具有较低的
峰值功率，所以在所述聚焦器30对所述透明工件1进行切割时，一般无需考虑自聚焦效应，并且非线性吸收区仅在焦点附近较小的区域，故不需要对所述激光束进行光束整形或脉冲整形。当然，在其他实施方式中，所述激光器发射的激光也可以是皮秒激光或者飞秒激光，当所述激光束为皮秒激光时，由于所述激光束的峰值较高，采用所述光束整形器对所述激光束进行光束整形，从而达到压缩焦深以及降低焦点处峰值光强的目的；当所述激光束为飞秒激光时，由于所述激光束的峰值光强更高且频谱较宽，采用所述脉冲整形器对所述激光束进行脉冲整形，从而达到在空间上分散频谱成分的目的，进而提高所述激光切割工艺的切割效率。
[0052] S04：控制所述聚焦器30的激光聚焦点对所述透明工件1进行切割。
[0053] 本实施方式中，需要精准的控制所述聚焦器30的激光聚焦点的上升速率和烧蚀速率，即需要控制所述激光聚焦点的上升速率与烧蚀速率之比在0.8～1.2范围内。
[0054] 本发明提供的透明材料的激光切割装置及其应用的激光切割工艺，通过所述聚焦器对所述工件切割时，设置激光切割点起始位置位于所述穿透区域背离 所述工作台面一侧，进而实现所述激光切割点由所述工件背离所述聚焦器一侧向另一侧进行切割，从而实现工件切割时无机械应力，无机械磨损，加工图形不会受限，切割线窄等优点，以及还有无等离子体屏蔽效应，能量利用效率高，热效应小，切割速度快，切割面无锥度等优点。
[0055] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
