[发明专利]减轻低表面质量

说明书

公开了用于激光加工的方法和设备。方法包括提供对工件(212A，212B)透明的激光束(214)。提供了表面质量优于工件表面的盖(302)，该盖与工件表面(213B)间隔开。在盖(302)和工件表面(213B)之间提供了流体(306)并使流体与盖和工件表面接触。引导激光束(214)穿过盖(302)和流体(306)，并引导至工件(212A，212B)。设备包括盖(302)，该盖与工件表面(213B)间隔开并具有比工件表面(213B)更好的表面质量，用于在盖(302)和工件表面(213B)之间引入流体并使流体与盖和工件表面接触的流体分配器，以及引导激光束(214)穿过盖(302)和流体(306)到达工件(212A，212B)的激光系统。

技术领域

本公开总体上涉及使用激光辐射加工材料。本发明尤其涉及对具有低表面质量的工件进行激光加工。

背景技术

激光材料加工越来越多地用于对各种材料进行切割，钻孔，打标和划线，包括玻璃、陶瓷、硅和蓝宝石等脆性材料。传统的机械加工会产生不希望有的缺陷，例如微裂纹，当加工的脆性材料受到应力时微裂纹可能会传播，从而降解和削弱加工的脆性材料。使用聚焦的激光辐射束对脆性材料进行激光加工会产生精确的切口和孔，这些切口和孔具有高质量的边缘和壁，同时最大程度地减少了此类不希望有的缺陷的形成。科学研究和制造的进步正在导致对越来越多的脆性材料进行激光加工，同时要求提高激光加工的速度和精度。

透明的脆性材料通过非线性吸收激光辐射，与脉冲激光辐射的聚焦光束相互作用。脉冲激光辐射可包括一系列单独的脉冲或脉冲的快速突发。每个单独的脉冲或脉冲突发都会在光束的焦点处在透明的脆性材料工件中产生缺陷。通过平移聚焦光束从工件上切下物品而沿着工件中的切割线产生一排缺陷。

通常，该排缺陷只会削弱沿着切割线的材料。为了将物品与工件的其余部分完全分开，需要在切割线上施加应力的额外步骤。施加机械应力或热应力通常会导致沿切割线分离。已经使用具有被材料吸收的波长和相对较高的平均功率的激光束证明了精确和受控的分离。吸收的激光功率会在切割线上产生一个热梯度，从而导致裂纹在由脉冲激光辐射产生的离散缺陷之间传播，从而沿切割线形成连续的断口。

例如，高度聚焦的超短激光脉冲束会在玻璃工件中产生自导的“细丝”。为了产生细丝，由于折射率的非线性成分，在材料中具有足够高强度的脉冲激光辐射的聚焦束变得进一步聚焦。非线性自聚焦和高强度激光束之间的正反馈会产生等离子体。等离子体内较低的折射率和/或等离子体对聚焦光束的散射会导致散焦。聚焦和散焦之间的平衡使细丝内的等离子体得以维持，该细丝在玻璃工件中传播，其直径远小于脉冲激光辐射聚焦束的衍射极限直径。

这种细丝的传播会以空隙、微裂纹或其他材料变形的形式在工件上产生长而细的缺陷。通过沿切割线平移聚焦的超短脉冲激光束会产生一行缺陷。然后，通过沿切割线平移CO₂激光束，可以使用波长约为10微米(μm)的二氧化碳(CO₂)激光来分离玻璃。在美国专利第9,102,007号和美国专利第9,296,066号中描述了这样的激光切割工艺，各个专利与本申请共同拥有，并且出于各种目的通过引用将每个专利的完整公开内容并入本文。

发明概述

激光材料加工需要精确定位和严格控制的激光束焦点。材料属性中相对较小的差异(例如正常的材料不均匀性)可能会导致失去焦点控制。非平面材料表面可能会由于折射而使激光束散焦，从而降低预期焦点处的激光束强度。可以将光束强度降低到低于预期材料加工的阈值。

本领域技术人员使用“表面质量”作为这些变化的量度。“表面质量”有两个贡献：小规模的表面结构，称为“表面粗糙度”或“表面光洁度”；大型结构，称为“表面不规则度”或“表面平整度”。

具有高空间频率的小规模表面结构会导致光学损耗。通常，这些是散射损耗，这会降低激光束通过表面后到达加工位置的光功率。该“表面粗糙度”或“表面光洁度”可通过R_a(与表面平均平面的平均偏差)或R_RMS(在规定表面积上的平均最大峰谷偏差)来量化。