[发明专利]经PCF传输的激光加工透明材料的设备和方法

说明书

本发明公开了经PCF传输的激光加工透明材料的设备和方法，加工设备包括预切激光器、空芯PCF光学板、贝塞尔切割头、振镜和CO₂激光器，所述空芯PCF光学板传输超快激光到贝塞尔切割头和振镜中，所述CO₂激光器上设置有出光头，所述贝塞尔切割头、振镜和出光头均设置在能够与待加工物产生竖直和/或水平相对运动的平台上。加工方法包括使用空芯PCF光学板作为导光臂，将超快激光直接耦合到贝塞尔切割头和振镜上，并对待加工物进行预切，而后由CO₂激光器将预切后的待加工物进行分离或抛光。其能够实现待加工物的全种类加工，加工速度快，效率高，加工稳定可靠，加工出来的产品质量优良。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种透明材料的激光加工设备和激光加工方法。

背景技术

常见透明材料（如玻璃等）的待加工物加工工序有12种之多，如切割、钻孔、抛光、刻字、铣销、切槽、内圆磨边、外圆磨边、挖缺、镂铣和倒角等。不同的加工工序具有不同的特点，精雕机在切换不同刀头的情况下，可以全部完成。但精雕机加工的崩边大；对于2 mm以下的玻璃，因其强度不高，加工时易损坏，加工良率低；对于小尺寸的内部图案，刀头因尺寸过大无法加工。

激光加工通用性更强，加工速度和自动化程度更高。专利CN108381043A、CN105149773A、CN108788451A、CN109079348A、CN110695550A中的纳秒绿光、皮秒绿光和皮秒红外振镜加工工艺，可以实现玻璃等透明材料的切割、钻孔、倒角功能，类推能实现刻字、铣削、切槽、内圆磨边、挖缺、镂铣和倒角，但做不了抛光；且振镜加工方式，焦点从下往上，逐点逐层微爆破，每层进给几微米到几十微米，加工效率低，崩边偏大，约几十微米，爆破点粉尘小且多。

超快红外配合贝塞尔切割头，能够实现快速切割，通过CO₂激光裂片实现无粉尘分离。超快红外配合振镜，能够快速钻孔、刻字、铣削、切槽、内圆磨边、外圆磨边、挖缺加工、镂铣加工和倒角。单独的CO₂激光可以实现玻璃的抛光。因此超快红外激光配合贝塞尔切割头、振镜加工及CO₂分离工艺，可以实现12项加工工序，效率更高，玻璃的加工成本更低。现有的皮秒红外配合贝塞尔切割头的空间光路，容易受到皮秒红外配合振镜加工过程中粉尘的污染，镜片会因污染吸收增大而损伤，影响设备稳定性；而且空间光路调节繁琐，移动不便，通常移动样品，对于厚度大的玻璃，移动时速度和加速度小，影响加工效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种经PCF传输的激光加工透明材料的设备和方法。空芯PCF将超快激光器的光直接耦合到贝塞尔切割头或振镜中，通过光纤传输激光，避免了粉尘污染光路损伤镜片。且光路即插即用，无需像空间光路一样调节，稳定性好。光纤重量轻，可以快速实现三维移动，速度和加速度大，加工效率显著提升。

本发明公开了一种经PCF传输的激光加工透明材料的设备，包括预切激光器、空芯PCF光学板（PCF，photonic crystal fiber，光子晶体光纤）、贝塞尔切割头、振镜和CO₂激光器，所述空芯PCF光学板传输超快激光到贝塞尔切割头和振镜中，所述CO₂激光器上设置有出光头，所述贝塞尔切割头、振镜和出光头均设置在能够与待加工物产生竖直和/或水平相对运动的平台上。

空芯PCF，可以为光子带隙类型、Kagome类型等。空芯PCF光学板作为导光臂时，较大的纤芯直径在损伤阈值或非线性效应控制方面具有优势；较小的纤芯直径支持更少的模式，其可以在输出端具有更好的光束质量。针对不同的待加工物可以选择不同的类型和尺寸。

在空芯PCF为光子带隙类型时，光纤的纤芯直径为5-10 μm。光子带隙型的空芯PCF，空芯孔能够和周围氧化硅产生强烈的能量交叠，使纳秒激光脉冲能量限制在1 mJ，亚皮秒激光脉冲能够限制在1 μJ。