1.064μm红外皮秒激光器远紫外石英

1.064μm红外皮秒激光器远紫外石英 ５卷第４期　　　　　　　　　　　　　　应　用　激　光　第３ ２０１５年８月 Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．４Ａｕｕｓｔ２０１５　ｇ ＡＰＰＬＩＥＤ　ＬＡＳＥＲ　 １．０６４μｍ红外皮秒激光器远紫外石英玻璃 精密划线工艺研究 ２１，２，李勇１，　曾令慧 １ （武汉软件工程职业学院，湖北武汉４３００７４； ２ ）武汉软件工程职业学院激光应用技术研究所，湖北武汉４３００７４ 摘要　对激光加工石英玻璃精密划线工艺进行了实验研究，探讨了不同工艺参数对加工效果的影响。使用１．０６μｍ红外皮／秒激光器作为光源，对厚度为０．在加工速度７获得４ｍｍ的ＪＧＳ１１远紫外石英光学玻璃薄片进行激光划线切割，００ｍｍｓ时，－背面崩边７．侧面粗糙度为４μ利用控制变量法分析了样品正面崩边１１．０８μｍ，６１０μｍ，ｍ的加工效果。结合实际加工，光源、占空比、点间距及聚焦光斑等工艺参数对加工效果的影响，得到一组最佳工艺参数。关键词　皮秒激光；　玻璃切割；　控制变量法；　工艺参数 ：１／中图分类号：ＴＮ．ｃｎｋｉ．ａｌ．２０１５３５０４．４８８２４８　　　　文献标识码：Ｂ　　　　ｄｏｉ０．１４１２８ｊ ｕａｒｔｓＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＦａｒＵＶＧｌａｓｓＰｒｅｃｉｓｅＳｃｒｉｂｉｎｂ１．０６４μｍＰｉｃｏｓｅｃｏｎｄＬａｓｅｒ　　　　　　　　　Ｑｇｙ　　 １２ ＬｉＹｏｎｅｎＬｉｎｈｕｉ　　Ｚ　ｇ，ｇｇ　 １　（Ｗｕｈａｎ　ＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｅｏＳｏｔｗａｒｅａｎｄ　ＥｎｉｎｅｅｒｉｎＷｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；　　　　ｇｆ　ｆｇｇ， ２　 Ｌａｓｅｒ　ＡｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＷｕｈａｎ　ＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｅｏＳｏｔｗａｒｅａｎｄ　ＥｎｉｎｅｅｒｉｎＷｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　ｐｐｆ　ｇｆ　ｆｇｇ， ，ｒｏｃｅｓｓｉｎｒｅｃｉｓｉｏｎｕａｒｔｓｌａｓｓｒｏｃｅｓｓｉｎＡｂｓｔｒａｃｔｈｅｏｆｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｈａｓｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｄｉｆｆｅｒ　Ｔ　　　　　　　　　　　－ｐｇｐｑｇｐｇｇｙ　　　　，ａｒａｍｅｔｅｒｓｉｃｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｓｅｎｔｈａｖｅｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｕｓｅａ１．０６４μｍｌａｓｅｒａｓｌｉｈｔｓｏｕｒｃｅｓｃｒｉｂｅｃｕｔｔｉｎｔｈｅＪＧＳ１１ｑｕａｒｔｚ　　　　　　　　　　　　　－　ｐｐｇｇｇ　／，Ｗｗｈｉｃｈｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓ０．４ｍｍ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｓｔｒｉｉｎｓｅｅｄ７００ｍｍｓｅｓａｍｌｅｗｈｉｃｈｏｂｖｅｒｓｅｓｉｄｅｅｄｅｃｏｌｌａｓｅ１１．０８μｍ，ｅｔ　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｐｐｇｐｇ　，ｂａｃｋｓｉｄｅｅｄｅｃｏｌｌａｓｅ７．６１０μｍａｎｄｓｉｄｅｒｏｕｈｎｅｓｓ４ｕｍ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｍａｃｈｉｎｉｎｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｇｇｑ　，，ｌｉｈｔｓｏｕｒｃｅｄｕｔｃｃｌｅｔｈｅｏｉｎｔｉｔｃｈａｎｄｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｓｏｔｈａｖｅｂｅｅｎａｎａｌｚｅｄｂｕｓｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｖａｒｉａｂｌｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　ｇｙｙｐｐｇｐｙｙｇ　　　　ｔｈｅｂｅｓｔｈａｖｅｂｅｅｎａｒａｍｅｔｅｒｓｉｖｅｎ．　　　　　ｐｇ ；；；Ｋｅｗｏｒｄｓｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｅｓｔｉｃｏｓｅｃｏｎｄｕａｒｔｓｌａｓｓｒｏｃｅｓｓｉｎａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｐ　　ｑ　　　ｐ　ｂ　ｇｇｇｐｙ　　 ０　引言 具有优异的　　石英玻璃是一种常见的光学材料， 机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、光学性能， 耐冲刷，质地均匀，被广泛地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领域。传统的石英玻璃切割是使用钻石或者硬金属轮划线，然后用机械的方法折断。这种方法容易造成材料的浪费而且切割后还必须对材料进行清洗，打磨抛光等后处理，切面比较粗糙， ］１２－ 。尤其在石英玻璃材料厚度小于存在细微裂纹［ 工具有非接触性、无环境污染，易控制等特性，使用激光切割石英玻璃则可以避免这些问题的出现。激光的玻璃切割也是近年来国内激光行业研究的一个常见的激光切割石英玻璃的方法有使用调Ｑ热点， 的ＹＡＧ激光器作为光源、采用控制断裂法切割、双光束Ｃ紫外激光切割、准分子激光切割Ｏ２激光切割、 ］３７－ 。但是这些方法进行的切割很难实现断等方法［ 面崩边小于２德国夫琅禾费研究０μｍ的精密切割， 所使用飞秒激光切割石英玻璃，能得到５μｍ端面 ８］ 。但目前国内飞秒激光的应用尚未普及，崩边度［ 传统切割方法容易造成碎裂。激光加０．５ｍｍ时， ；收稿日期：２０１５０４１４２０１５０６２３－－　收到修改稿日期：－－ ）基金项目：武汉市产学研资助项目（项目编号：ＣＸＹ２０１４２１ 且光源昂贵，在石英玻璃切割上鲜有应用。本文采 ，：作者简介：李勇（男，工程师，讲师，主要从事激光加工工艺与激光器技术研究。Ｅ－ｍ．ｃｏｍ１９８５－）ａｉｌ３３９４４７８２３＠ｑｑ —４８８— 用ｅｋｓｌａ公司生产的波长为１．０６μｍ红外的皮秒ｐ激光器，对石英玻璃进行了切割，得到了很好的切割效果。 由于应力直线打一系列互相衔接的盲孔或者通孔，集中，稍加力，石英材料便准确地沿此线折断，这就 ］９１０－ 。与穿透切割相比，是所谓的玻璃划线切割［划 １　实验 １．１实验方法 一种是划　　激光切割石英玻璃主要有两种方法， 一种是熔融（气化）切割。本文研究的是划线切割， 线切割。激光划线是采用脉冲激光在石英玻璃上沿 热影响区小，挂渣少，所需功率线切割具有线宽小， 目前得到广泛的应用。低等特点， １．２实验配置及装置 图１为光源及系　　本实验选用平台配置见１， 统原理图。 表１　实验平台配置 ｌａｔｆｏｒｍＴａｂ．１　Ｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎ　　　ｐｐｇ Ｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎｏｆｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｌａｔｆｏｒｍ　　　ｇｐｐ ｓｏｕｒｃｅｌｉｈｔ　　ｇ ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ　　 ｓａｍｌｅ　ｐ ｂｅａｍｅｘａｎｄｅｒ　　ｐ ３．８× ｆｏｃｕｓｌｅｎｓ　　 ｔｅｓｔｉｎｅｕｉｍｅｎｔｇｑｐ　ｋｅｅｎｃｅｖｘ１０ ０　－ｙ ｓｕａｒｔｓｌａｓｓ１６Ｗ１０６４ｎｍｌａｓｅｒｉｎｅａｒｍｏｔｏｒ４ｍｍ　ＵＶ　　　　ｌ　　０．　　　ｐｑｇ Ｆ＝２０ｍｍ　 求。这是因为，射频ＣＯ２激光去除材料的机理仍然是光热效应。光热效应去除材料就会产生热影响区，频繁的出现重铸材料表面碎屑等，这就使得加工 ］１２１４－ 。而皮秒激精度很难达到精细微加工的要求［ 光是通过多光子吸收来激发材料中的电子，并且直由于脉宽接破坏原子键实现对材料的加工。此外，很短，脉冲的持续时间小于电子与晶格之间产生热平衡的时间，基本不会生成热影响区，因此皮秒激光成了激光加工石英玻璃的最佳光源。而从样品红ＪＧＳ１１远紫外石英光学玻璃的透过率曲线来看，－外皮秒激光器比可见光皮秒激光器更适合作为加工的光源。为了实现精密加工，本次实验使用Ｅｋｓｌａｐ公司生产的１脉冲宽度小于６Ｗ红外皮秒激光器，。１０ｐｓ 图１　光源及系统原理图 （））处理系统原理示意图ａｅｋｓｌａｓ激光（ｂ　ｐｐＦｉ．１　Ｌｉｈｔｓｏｕｒｃｅａｎｄｒｉｎｃｉｌｅｓｏｆｓｃｈｅｍａｔｉｃ　　　　　ｇｇｐｐ ｒｏｃｅｓｓｉｎｓｓｔｅｐｇｙ ２　实验结果及分析 　　本次实验加工样品为上海石英玻璃厂生产的 厚度０．ＪＧＳ１１远紫外石英光学玻璃薄片，４ｍｍ。－图２所示为该石英玻璃样品在不同波长下的光学透 １１］ 。由图２可知，该石英玻璃对波长小于过率曲线［ ［１］ 图２　ＪＧＳ１１远紫外石英光学玻璃透过率１－１ ｌａｓｓ１Ｆｉ．２　ＯｔｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｏｆＪＧＳＩ１ｑｕａｒｔｚ　　－　ｇｇｐｙ　 ［］ 其光学透过率非常高，但在波长为５μｍ的光来说， 石英玻璃的透过率几乎为零，５～２０μｍ的范围内，从光学透过率曲线来看，本次石英玻璃样品切割的理想光源应该是ＣＯ２激光器。但是笔者在此之前也曾选用过射频Ｃ其加工的断面崩Ｏ２激光作为光源，边都在４不能满足客户精密加工的要０μｍ左右， ２．１占空比 ０６４ｎｍ皮秒激光功率为　　本实验使用的１　 ，／重复频率１在划线速度为２１６Ｗ，００ｋＨｚ００ｍｍｓ时，得到占空比与划线的崩边度及侧面粗糙度的关系如图３所示。 —４８９— 图３　激光功率对划线崩边度及侧面粗糙度的影响Ｆｉｇ．３　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｐ ｏｗｅｒ　ｏｎ　ｅｄｇｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅａｎｄ　ｒｏｕｇ ｈｎｅｓｓ　　从图３可以看出， 激光功率的变化对石英划线的崩边度影响较小， 而对侧面粗糙度的影响显著。由图４可以看出，在占空比低于６０％的时候（图４（ｃ ）），随着功率的增加断面粗糙度不断减小。在占空比大于６０％的时候，断面粗糙度随着功率增加而增大。这是因为，在占空比小于６０％时，实际加工的激光功率偏小，导致划线深度不够。在掰片的时候，产生的断面粗糙度较大。在占空比为６０％的时候，石英玻璃材料完全贯穿，此时的侧面粗糙度最小， 表明石英玻璃的划线切割在材料穿透的情况下，效果更好。在功率占空比大于６０％时，断面粗糙度又开始变大， 这是因为，在功率过大的时候，超高的能量密度产生的高温等离子体使小孔周围产生热影响，热影响区域温度过高导致融化与粘连，从而使得掰片变得困难， 断面粗糙度变大 。—４９０— 图４　不同占空比下样品断面照片（２００×） （ａ）２０％占空比（ｂ）９０％占空比（ｃ）６０％占空比 Ｆｉｇ．４　Ｓａｍｐｌｅ　ｐｈｏｔｏｓ（２００×）ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｕｔｙ　 ｃｙｃｌｅ．２点间距及聚焦光斑 　　在皮秒激光功率为１ ６Ｗ，占空比为６０％，在重复频率１００ｋＨｚ时，得到划线速度与划线的崩边度及侧面粗糙度的关系如图５所示 。 图５　划线速度对崩边度及侧面粗糙度的影响Ｆｉｇ．５　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｔｒｉｐｉｎｇ　 ｓｐｅｅｄ　ｏｎ　ｅｄｇｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅａｎｄ　ｒｏｕｇ ｈｎｅｓｓ　　从图５可以看出， 在划线速度为７００ｍｍ／ｓ时，正反面的崩边度及断面粗糙度最小，在划线速度小于７００ｍｍ／ｓ时，随着划线速度的加快，崩边及粗糙度呈不断变小的趋势，这是因为，在划线速度较小时， 激光脉冲在材料上打出的小孔较为密集，容易产生粘连及融化现象， 热影响区域较大。当速度过大时， 孔间距过大，划线区域应力集中不够，导致在掰片的时候容易产生崩边和断面粗糙的现象。从图５中还可以看出，划线速度增大的时候，即点间距变大时， 对断面的粗糙度影响较大。为了进一步验证点间距对划线掰片崩边的影响， 在改变激光频率和划线速度情况下进行了多组实验，得出如下关系 Ｋ＝Ｗｄ·ｆ／ｖ （１ ）式中，Ｋ为小孔直径与孔间距的比值，ｆ为激光频 ２ 率，ｖ为划线速度，Ｗｄ为小孔直径。实验表明在Ｋ值为７０％时， 加工效果最好。根据以上实验结果，在激光重复频率为１００ｋＨｚ，激光功率百分比为６０％加工速度为 ７００ｍｍ／ｓ时，得到了正面崩边１１．０８μｍ， 背面崩边７．６１０μｍ，侧面粗糙度４．００μｍ的划线切割效果。切割样品如图６（ａ）～ ６（ｆ）所示图 。图６　样品照片 （ａ）节点（ｂ）孔径（ｃ）侧面崩边（ｄ）背面崩边（ｅ）侧面照（ｆ ）侧面粗糙度Ｆｉｇ．６　Ｓａｍｐ ｌｅ　ｐｈｏｔｏｓ　结论 　　本文利用１． ０６４μｍ红外皮秒激光器对石英玻璃材料进行了划线切割实验研究，分析了光源、激光功率、小孔直径及孔间距几个工艺参数对划线切割效果的影响。在激光功率１６Ｗ占空比６０％，重复频率１００ｋＨｚ，划线速度为７００ｍｍ／ｓ的工艺参数下，获得了正面崩边１１．０８μｍ，背面崩边 ．６１０μｍ，侧面粗糙度４μｍ的良好切割效果。 参考文献 ［１］付国柱．玻璃的激光切割技术［Ｊ］．光机电信息，２００８ （３）：５－ １１．［２］焦俊科，王新兵，李又平．激光切割玻璃的研究进展［Ｊ］． 玻璃，２００７（４）：８－ １１．［３ ］杨立军，王懋露，等．应用裂纹控制法的钠钙玻璃ＹＡＧ激光切割技术［Ｊ］．红外与激光工程，２０１０，３９（３）：５１２－ ５１５．［４ ］汪旭煌，姚建华，周国斌，等．基于热裂法的液晶玻璃基板激光切割技术研究［Ｊ］．激光技术，２０１１，３５（４）：４７２－ ４７６．［５ ］叶圣麟，马军山，黄鑫，等．液晶显示玻璃基板激光切割的热应力场有限元仿真［Ｊ］．应用激光，２００６，２６（４）：２６７－ ２７１．［６］李迎霞．采用双光束ＣＯ２激光的玻璃切割技术［ Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００６． ［７ ］姜超，胡少六，王又青．准分子激光精密加工陶瓷，玻璃等脆性材料的研究［Ｊ］．中国激光，２００２，２９（６）：５７５－５７８．［８］李晓龙．玻璃的紫外激光精密切割技术研究［Ｄ］． 烟台：烟台大学，２０１２． ［９］ＢＥＲＮＨＡＲＤ　ＫＬＩＭＴ．Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ　 ｗｉｔｈ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ　ｌａｓｅｒｓ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ　Ｍｉｃｒｏ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，２００７（１）：２４４－ ２５３．［１０］ＩＮＮＯＣＥＮＺＩ　Ｍ　Ｅ，ＳＷＩＭＭ　Ｒ　Ｔ．Ｒｏｏｍ－ｔｅｍｐ ｅｒａｔｕｒｅｏｐｔｉｃａｌ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｕｎｄｏｐｅｄα－Ａｌ２Ｏ３［Ｊ］．Ｊ．Ａｐｐ ｌ．—４９１— ３７ ，（）：Ｐｈｓ．１９９０，６７１２７５４２７５４６．－ｙ ［］袁明权，凌宏芝，彭勃．石英玻璃薄板激光精密切割技１１ ］（）：激光技术，术［Ｊ．２００６，３０４４０６４０８．－ 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