[发明专利]一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法

说明书

本发明提出一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，该方法适用于厚度≤200μm的薄石英玻璃切割；采用高重频飞秒激光器结合高速高精度扫描振镜作为加工平台，通过改变激光参数来调控飞秒光丝长度、光丝能量分布、脉冲重叠率、脉冲能量沉积及光丝在石英玻璃内部的相对位置，进而实现石英玻璃高质高效切割；本发明能够对厚度≤200μm石英玻璃材料实现单次扫描直接切割，无需后处理过程，切割断面粗糙度小于1.5μm，切割边缘崩边小于12.5μm，加工速度达到10mm/s；该方法操作简单，光路调试方便，实现了薄石英玻璃切割加工效率和加工质量的同步提升。

技术领域

本发明属于飞秒激光微加工技术领域，特别涉及一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法。

背景技术

近年来，随着3C、集成电子、MEMS、光伏等行业的飞速发展，硬脆透明材料被广泛应用，石英玻璃以其良好的物理、化学性能大量应用于手机、平板电脑、微机器和其他电子设备中，特别是在航空航天领域，石英玻璃应用于石英振梁加速度计、石英摆锤、MEMS陀螺仪等惯性仪器的关键部件。在这些关键部件的制造过程中，往往需要对石英玻璃按照尺寸要求进行切割加工，而切割质量的好坏与部件的装配、性能、使用寿命有着很大的影响。目前，石英玻璃切割主要有传统和非传统的加工方法。传统加工主要采用金刚石切割轮切割，切割质量较差；非传统方法包括水射流和激光加工。

近年来，超快激光器因其高加工精度而成为研究的热点。裂纹控制方法是激光切割玻璃中广泛应用的一种方法，其首先采用激光束在玻璃表面形成划痕，然后通过后续的机械应力或者热应力，使玻璃沿预设的切割道裂开；这种方法需要严格控制划痕的深度以及后续裂片过程的工艺参数，加工工艺复杂，产品成品率稍低。采用激光直接烧蚀切割的方法可以避免切割后续处理过程，但是石英玻璃的烧蚀阈值较大，皮秒激光等峰值功率较低，单次扫描材料去除率低，实现完全切割需要采取重复扫描，这就大大降低了加工效率。采用贝塞尔光束进行玻璃切割其设备成本较高，且其安装调试需要更高的技术要求，其对厚玻璃切割很有帮助，对薄石英玻璃切割则显得没有必要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，充分利用飞秒激光功率密度高，在材料中可以形成稳定长焦深光丝的特点以及高重频激光可以在保证光斑重叠率的前提下可以有效提高扫描速度的优势实现了薄石英玻璃的单次直接高质高效切割。切割断面粗糙度小于1.5μm，切割边缘崩边小于12.5μm；该方法操作简单，光路调试方便，实现了薄石英玻璃切割加工效率和加工质量的同步提升。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，该方法适用于厚度≤200μm的薄石英玻璃切割。通过改变激光参数来调控飞秒光丝长度、光丝能量分布、脉冲重叠率、脉冲能量沉积及光丝在石英玻璃内部的相对位置，进而实现石英玻璃高质高效切割。

一种基于飞秒激光光丝效应的薄石英玻璃切割方法，包括以下步骤：

1)对石英玻璃样品表面分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗，然后利用干燥的空气吹干得到干净的石英玻璃片样品；

2)搭建光路，光路包括高重频飞秒激光器1，高重频飞秒激光器1输出光经过第一反射镜2使光路转90°，反射光依次经过第二反射镜3、小孔光阑4、扩束镜5、第三反射镜6、高速高精度扫描振镜7垂直照射在剪式升降台8的加工工位上，高重频飞秒激光器1、高速高精度扫描振镜7的振镜控制单元9和电脑10连接；

3)利用电脑10调节高重频飞秒激光器1输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为1-200KHz，最大单脉冲能量为200μJ；

4)将干净的石英玻璃样品固定剪式升降台8的加工工位上；