作者： 时间：2023-10-19
皮秒激光玻璃切割已成为一项彻底改变精密玻璃切割行业的尖端技术。从显示器、蜂窝设备到结构玻璃，各行各业对激光玻璃切割的需求与日俱增，这推动了皮秒激光设备制造商业务的扩展，这是因为使用超短脉冲激光器可以实现侧壁光滑和产量高的优势。在这篇文章中，我们将深入探讨皮秒激光玻璃切割的物理原理，强调焦点光束整形对实现最佳效果的必要性。通过采用衍射轴锥镜或改良贝塞尔解决方案（如DeepCleave），皮秒激光设备集成商可以克服各种限制，提高切割产量和质量。
皮秒激光玻璃切割机制和要求
各行各业对激光玻璃切割的需求急剧增长，从用于手机和显示器的硬质和薄玻璃切割到造船和结构玻璃切割，其中需要更厚的玻璃部件以提高耐用性。超短脉冲激光器已成为实现这一目的的首选技术，它切割精确、侧壁光滑、产量高，符合对复杂玻璃部件日益增长的需求。
皮秒激光玻璃切割依靠的是超短脉冲激光，通常波长约为1微米，可在玻璃内部产生等离子丝化，导致内应力的演变。这种应力可通过施加轻微的热应力或机械应力，使激光加工线裂开，形成光滑、整洁的接缝。使用皮秒激光进行切割的副作用包括微裂纹和空洞的形成，通过正确选择加工参数，包括脉冲频率、脉冲能量和切割速度，可以将这种副作用降至最低。
皮秒激光切割工艺的非线性吸收特性将受影响区域限制，在较窄的直径范围内，通常为1-5μm，而聚焦深度必须跨越整个玻璃厚度，范围从0.2mm-20mm不等，具体取决于应用。由于瑞利范围的固有局限性，高斯光束无法聚焦到足够紧密的点，同时具有较大的焦深，因此需要光束整形以实现具有这种扩展焦距范围的贝塞尔式光束。
皮秒激光玻璃切割中对焦点光束整形的需求
锥透镜生成的类贝塞尔光束和多焦点DOE等方法已被用于焦点光束整形。然而，在玻璃切割应用中，标准折射锥透镜通常不太适合贝塞尔光束生成。这是因为它们在透镜锥顶附近具有非活动区域，表面质量要求高，并且很难以某些玻璃厚度所需的精确低顶角进行研磨。衍射轴锥镜以一种解决方案出现，因为它们没有非活动尖端区域，具有近乎完美的波前平坦度和绝对的角度精度。
利用改良的类贝塞尔光束提高焦点整形性能
普通贝塞尔光束一个局限是沿焦深的强度曲线不平坦，导致能量浪费在玻璃切割阈值以下和之上。改进的贝塞尔光束解决方案（如DeepCleave）沿焦深提供平顶强度分布，以相同的皮秒能量优化切割效率和产量，从而显著提高性能。
光束整形对皮秒激光玻璃切割的益处的实验演示
Holo/Or与许多不同的集成商和激光制造商在各种玻璃切割项目中合作。Holo/Or的合作项目之一是与皮秒激光生产商Fluence技术公司合作，在其应用实验室演示玻璃切割。结果显示，熔融石英玻璃和钠钙玻璃的切割质量好，切割效率高。
总结
在各种应用和对更厚玻璃部件的需求推动下，对先进激光玻璃切割解决方案的需求正在上升。超短脉冲激光器为激光玻璃切割提供了许多优势，但要获得最佳切割效果，适当的光束整形至关重要。衍射轴锥镜和改进的贝塞尔光束模块为增强焦点光束整形提供了解决方案，克服了以往的局限性，为玻璃切割行业带来了新的可能性。
问答题
- 超短脉冲激光如何促进玻璃的精确切割？
超短脉冲激光器可在玻璃中产生等离子丝，从而产生内应力，实现高产量的精确切割，并使玻璃侧壁光滑。
- 为什么皮秒激光玻璃切割需要光束整形？
玻璃超短激光切割中使用的非线性吸收过程需要高功率密度，因此激光必须聚焦到一个狭小的光斑。对于标准高斯光束而言，这意味着聚焦深度受到瑞利范围的限制，无法覆盖整个玻璃厚度。因此需要衍射光束整形来扩展玻璃中的焦深，从而实现一次切割。
- 为什么衍射轴锥镜比普通锥透镜更适合玻璃切割？
普通锥透镜在尖端附近具有死区，很难生产出贝塞尔光束生成所需的光学质量，许多厚玻璃切割需要低顶角锥透镜。衍射轴锥镜消除了死区，由于是平面窗口，因此表面质量更好，即使在低顶角时也有绝对的角度精度。
- 改进的类贝塞尔光束如何提高切割效率？
由这种DeepCleave生成的改良贝塞尔光束沿着聚焦轴方向产生一个平坦的顶部轮廓，与锥透镜生成的类贝塞尔光束非平坦轮廓不同。这种平顶轮廓可减少玻璃切割阈值以下的能量浪费，从而优化切割效率，在相同的速度下以相同的激光能量进行更高的切割速度/更厚的玻璃切割。
