衍射光束整形优化激光玻璃切割工艺

发表时间:2021-09-24 15:35



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。


激光成丝

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

Holo/Or提供了多种解决方案,来帮助我们的客户满足他们的玻璃切割需求:

对于采用上述热加工法的客户,我们拥有各种各样的顶帽衍射光束整形器,用于产生平顶均匀分布的聚焦能量,以进行精确处理。更多信息,请参见我们的“衍射光束整形器”

使用USP激光技术的其他客户,可以采用下列两种可用的解决方案:

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。

这篇文章将聚焦于DeepCleave和衍射锥透镜,这是UFP激光玻璃切割最常见的解决方案。

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。欲知更多信息,请参见衍射多焦点衍射光学元件


DeepCleave模块

DeepCleave将一个入射单模激光聚焦到一个窄点,在整个聚焦深度范围内(典型范围为1-2mm),束腰尺寸约为1.8 um。

聚焦光斑相当于0.35的物镜数值孔径,非常适合切割厚玻璃,如扁平面板。

该模块是透明材料切割应用的完整的光学解决方案。不需要使用额外的较高数值孔径物镜或其他高成本光学元件。


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。

每个DeepCleave模块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:

  1. 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,或者

  2. 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


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。

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。


衍射轴棱锥贝塞尔光束


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





分享到: