皮秒激光器对薄玻璃和蓝宝石进行高质量切割

【概述】

玻璃和其他透明脆性材料的加工是激光器的重要应用领域。玻璃的激光切割用于显示器和移动设备制造,电子产品包装, 汽车玻璃和太阳能制造等领域。在这些行业中,需要处理各种厚度的玻璃。同时移动设备中的玻璃向更薄的趋势发展，这是因为人们要求设备更轻, 柔韧并且可弯曲。

基于我们利用贝塞尔光束进行玻璃加工的丰富经验(应用说明 #46;SPI 技术文献),通过专门选择的贝塞尔光束光学元件， Spectra-Physics IceFyre® 1064-50 工业皮秒激光器输出产生较短贝塞尔区域 (图 1),来加工薄玻璃和蓝宝石。为完成这些测试而选择的材料包括: ~300 µm Cornin Eagle X (碱性硼铝硅酸盐) 玻璃, ~100µm 厚 Corning Willow (无碱硼硅酸盐) 玻璃以及~300 µm 厚蓝宝石。由于通过高斯光束剖面 产生的贝塞尔光束在 z 轴上的强度可变(图 2),好使贝塞尔区域比材料厚度更长,以便在该厚度上实现更均匀的强度。

由图 1 中的原理图描述的光学结构产生的贝塞尔区域在空气中的长度约为 440 µm, 半径为 1.1 µm。在应用材料中, 贝塞尔区域和半径都更大, 这由材料的折射率决定。对于我们所用的两种玻璃, 产生长度为 ~680 µm 和半径为 ~1.7 µm 的贝塞尔区域。蓝宝石较高的折射率导致长度增加了 ~780 µm 以及 ~2 µm 半径。

图 1 中的光学系统类似于先前的贝塞尔切割工作中使用的光学系统, 但已通过减少入射光束直径对较薄的材料进行了调整。这样产生更小的贝塞尔区域, 同时保持先前的测试中证明相同有效直径。与先前的结果同样类似的是, 使用了 2–4 个脉冲的TimeShift™ ps 脉冲串来实现好的结果。

Corning Eagle XG 和 Corning Willow 玻璃都以 100 mm/s 的平移速度和 100 kHz 脉冲重复频率 (PRF) 进行加工, 在材料上产生极低间距的加工及上下表面形成连续均匀的修 改线。

在手动裂开之后, 目视检查发现完整均匀的边缘表面修改(图4)。表面纹理显得轻微颗粒化, 300 µm Eagle XG 玻 璃和100 µm Willow 玻璃通过光学轮廓仪表征的表面粗糙度分别约为 0.2 µm 和 0.1 µm。

除了玻璃,贝塞尔工艺还可有效地切割薄蓝宝石,该材料用于 LED, 可穿戴设备和移动设备。与经测试的玻璃不同,最 佳蓝宝石切割结果是采用更高 PRF, 更高速度的工艺。

在 1000 mm/s 和 400 kHz PRF 时, 间距 (材料上入射的激光脉冲之间的距离)大于用于玻璃的间距; 然而切割线和边缘表面, 如图 5 中所示, 仍然连续且均匀, 与玻璃的结果非常相似。

由于贝塞尔区域的狭窄, 材料加工所需的脉冲能量远低于指定重复频率时可用的最 大能量。根据下表 1, 这样可以使用分束通过并行加工扩大产量。通过适当的光学元件和工艺参数, 使用 IceFyre 1064-50 激光器的贝塞尔光束 切割能够以极高的质量快速加工各种薄透明材料

产品

IceFyre® 工业皮秒激光器

IceFyre 355-50 是市面上功能优异的紫外皮秒激光器,在 1.25 MHz (>40 μJ) 时提供 >50 W 的紫外输出功率,脉冲串模式下的脉冲能量为 100 μJ, 脉冲宽度为 10 ps。IceFyre 355-50 设定了从单次激发到 10 MHz 的功率和重复率的新标准。IceFyre 355-30 提供 >30 W 的典型紫外输出功率 ,脉冲能量 >60 μJ (脉冲串模式下脉冲能量更大), 并提供 从单次激发到 3 MHz 的优异性能。IceFyre 1064-50 在 400 kHz 单脉冲时提供 >50 W 的红外输出功率, 并提供从单脉冲到 10 MHz 的优异性能。IceFyre 激光器独特的 TimeShift™ 设计利用光纤激光器的灵活性和 Spectra-Physics 独有的功率放大器能力, 实现TimeShift™ ps 可 编程脉冲串模式技术, 实现业内实现业内优异的多功能性和广泛的应用范围。每台激光器均配备一组标准波形;可选的TimeShift ps GUI  可用于创建自定义波形。该激光器的设计可为高扫描速度的优质加工 (例如使用多面扫描镜) 实现同类激光器中时间抖动极其低的按需脉冲 (POD) 和位置同步输出 (PSO) 触发功能。