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      1. 衍射光束整形優化激光玻璃切割工藝

        時間:2021-08-18 來源:新特光電 訪問量:1244

        從傳統上說,可以通過機械方式切割玻璃,使用鋒利和堅硬的工具,例如金剛石或硬質合金輪,沿著要切割的區域在玻璃上切割。接下來,玻璃通常會被機械力折斷,進而導致最初的裂紋完全穿透玻璃。

        近年來,隨著激光市場的不斷發展和高功率激光器具有可用性和合理的成本,由于激光加工技術可以提供更高的質量和產量,許多傳統的機械加工流程(其中包括玻璃切割,特別是在新的及新興應用中)正在向激光加工過渡。

        激光玻璃切割

        激光玻璃切割

        激光切割,一種非接觸式技術,能夠減少或完全避免機械技術帶來的危險。例如,機械切割會產生微裂紋,折斷會產生碎屑,并且切割邊緣需要經過額外的研磨和拋光過程,才能形成平滑的表面光潔度,因此,這樣既耗時又增加了制造成本。另一方面,激光切割可以最大限度地減少微裂紋和小碎片,不會在玻璃中產生應力,從而導致邊緣強度更高,這對于在玻璃上不斷施加作用力的觸摸顯示器尤其重要。此外,激光切割玻璃可以承受的作用力是機械切割玻璃的兩到三倍。

        一些應用:利用這些經改進特性的應用,包括平板顯示器(FPD)、電子消費產品和汽車行業,這些行業需要非常薄的玻璃基板、高速操作和復雜的幾何形狀。

        激光玻璃切割技術

        利用激光功率加工玻璃有幾種不同的技術。最早提出的一種方法是激光劃線和斷裂技術。在這種方法中,波長為10.6um的CO2激光通常用于加熱沿玻璃產生裂紋的窄線,隨后施加機械力來斷裂玻璃。有時會使用額外的激光。一種更加先進的方法,采用控制斷裂技術,由于吸收光能而形成熱梯度,產生熱機械應力,從而在玻璃中產生裂紋。這個過程通常比劃線和斷裂需要更少的激光功率,因為它是在玻璃轉化溫度以下進行的。這種設置的一個示例是激光和水射流的混合組合,其中激光沿著切割模板掃描,接著受照面通過液體冷卻,導致熱沖擊,熱沖擊沿著切割線形成裂紋。所描述的方法都是加熱方法,因此,高斯激光束在玻璃上的聚焦很少足以實現高質量的加工特性,因為單獨聚焦可能導致玻璃在高斯強度峰值處液化,進而導致不符合希望的微裂紋。為了克服這一點,通常使用光束整形器,在所需的能量閾值下產生均勻的能量強度。該光束也可以被整形為直線或其他所需的幾何形狀以增加產量。隨著高能超短脈沖激光器(USP)的引進,人們發現,它們在玻璃切割應用中非常有用,因為它們的高能脈沖產生機械應力,而短脈沖則減少了玻璃的熱加熱,避免熔化和微裂紋問題。不僅CO2激光器有效,近紅外激光器被發現在快速脈沖下也是有效的。這種方法的局限性之一就是對于薄基片有效率,但是對于較厚的基片,需要采用其他解決方案,例如多次掃描和掃描儀或激光頭的Z移動。使用這種技術切割厚玻璃(> 500微米)具有獨特的挑戰,因為激光能量需要聚焦到一個窄點,然后沿玻璃深度均勻地分布。

        通過將高能激光設置為精確的配置,就可以產生自聚焦現象,直到在玻璃內部產生一種“成絲”現象?!俺山z”一詞,有時也用于在玻璃內部形成“細絲”的其他方法,如DeepCleave和衍射錐透鏡,我們將重點關注這兩種解決方案,因為它們易于實現,并且可以以簡單的方式添加到激光系統中。我們所提供的這些解決方案也是通用的,它們不需要特殊的激光器配置,可以用于許多類型的透明基板。

        衍射光束整形解決方案

        對于采用上述熱加工法的客戶,我們擁有各種各樣的平頂光束整形器,用于產生平頂均勻分布的聚焦能量,以進行精確處理。DeepCleave模塊是最好的解決方案。這是一個提供最佳性能的完整的光學解決方案。用于產生長焦深聚焦貝塞爾光束功能的衍射錐透鏡是玻璃切割的組件級別的解決方案。衍射錐透鏡增加了光束的焦深,使得能夠用一個薄型平板元件完成透明材料的加工,這與折射衍射軸棱錐不同。這些組件可以與具有靈活輸入光束直徑的單模和多模激光器一起使用,并且通常需要外部聚焦光學元件。Holo/Or為激光玻璃切割應用提供的另一個解決方案就是衍射多焦點衍射光學元件,它顯示出經改進的斜切效果。這種獨特的衍射光學元件在聚焦軸上分離光束,并以受控的間距產生多個焦點。這種組件的最佳效果通常與多焦點模組一起使用時實現,該模組的數值孔徑為0.45NA,通光孔徑為20mm。

        DeepCleave模塊——激光成絲切割模組

        DeepCleave是一款革命性的激光玻璃切割產品,通常稱為FI optics(成絲切割),即激光焦點被拉長成絲狀,沿Z軸均勻分布。此外,DeepCleave還是一種衍射光學模組,用于沿聚焦深度(DOF)增加的區域以恒定峰值功率,將單模高斯輸入光束聚焦到束腰約為1.8 um的窄點上,通常范圍為0.25-3 mm。獲得的聚焦光斑相當于0.35 NA的物鏡,使DeepCleave模組成為一個完整的光學解決方案,無需使用額外的較高NA物鏡或其他高成本光學器件。

        DeepCleave激光成絲切割模組通常用于近紅外波長范圍的激光玻璃切割應用,非常適合切割厚玻璃,例如平面玻璃。盡管如此,在綠色可見光范圍內的應用也在一些微觀應用中取得了成功。

        每個DeepCleave激光成絲切割模組在出廠時都附有一份全光特性和單獨的測試報告。

        DeepCleave光學設置

        DeepCleave光學設置

        為什么選擇DEEPCLEAVE用于激光玻璃切割應用的原因:

        • 單脈沖切割全深度玻璃。

        • 在單個模塊中提供完整的解決方案。

        • 具有非常低的像差水平,光斑直徑<2um。

        • 易于集成到現有的光力學元件中。

        DeepCleave玻璃切割模塊

        DeepCleave玻璃切割模塊

        DEEPCLEAVE強度分布的實時測量

        DeepCleave ZT模塊007-I的實時測量,通過使用移動鏡頭+物鏡裝置以大約X5的放大率完成。

        DEEPCLEAVE相對于激光玻璃切割應用替代解決方案的優勢

        雖然替代解決方案(例如產生具有長焦深焦距的類貝塞爾光束的標準衍射軸棱錐),也適用于激光玻璃切割應用,但DeepCleave是一種更好的解決方案,因為它在平頂形狀之外幾乎沒有“浪費”能量,這是因為它具有尖銳的傳輸區域,與標準貝塞爾光束解決方案不同,在標準貝塞爾光束解決方案中,根據定義,貝塞爾形狀要么能量“超出”閾值,要么在閾值以下的“尾部”浪費能量。

        DeepCleave的這些特性可以轉化為以下主要工藝優勢:

        • 通過在有效脈沖區域內實現最佳能量分布來提高產量,這與標準的Axicon不同,能夠降低切割相同基底厚度的處理能力

        • 在進程閾值設置為略低于DeepCleave強度水平時,與施加相同功率的標準貝塞爾光束相比,通過使用相同的處理功率來增加玻璃厚度,DeepCleave可以切割大約2倍厚的玻璃。

        下圖展示了這些優勢,圖中展示了當對于兩者施加相同的能量時,DeepCleave 與 Axicon 沿聚焦軸的強度:

        沿聚焦軸的DeepCleave與類貝塞爾光束的強度水平

        沿聚焦軸的DeepCleave與類貝塞爾光束的強度水平。

        DEEPCLEAVE模塊的規格范圍

        波長 1030納米, 1064納米, 以及其它定制需求
        光束模式 單模M2<1.3
        在空氣中的聚焦深度 0.25-3 毫米
        束腰半徑 (exp-2) 1.8 微米
        效率 ~93%
        工作距離 7.4-15 毫米
        外形尺寸 直徑30.5 毫米* 長度106-250 毫米
        光學元件材料 石英玻璃
        涂層 所有的光學元件都是AR涂層

        衍射錐透鏡—一種用于長焦距的貝塞爾光束發生器

        激光玻璃切割更基本的組件級別解決方案是貝塞爾光束。貝塞爾光束是由入射高斯光束在衍射軸棱錐上干涉疊加形成的,導致長、窄、緊的細絲,這種細絲被較高干涉階的圓形所環繞,這實際上是一個長焦深。

        衍射軸棱錐貝塞爾光束

        衍射軸棱錐貝塞爾光束

        為了實現貝塞爾光束的長焦深聚焦功能,Holo/Or提供了一種衍射錐透鏡,也稱為長焦深元件,這是一種特殊類型的衍射光學元件(DOE),它是一種窗格狀組件,通過微結構改變穿過它的光的相位。

        長焦深衍射光學元件產生貝塞爾光束,然后可以使用外部透鏡進行聚焦。當聚焦時,貝塞爾光束比高斯光束具有更長的聚焦深度,聚焦時,能量密度相應降低。貝塞爾光束的聚焦深度(DOF)由衍射軸棱錐角決定,而中心光斑的直徑與衍射極限尺寸相似。入射光束的直徑、波長和物鏡焦距(EFL)將影響聚焦深度(DOF)和光斑尺寸。

        配置衍射錐透鏡與高斯光束的長焦深衍射光學元件

        配置衍射錐透鏡與高斯光束的長焦深衍射光學元件

        衍射錐透鏡與折射軸棱錐的優勢

        衍射錐透鏡,很像折射軸棱錐,產生貝塞爾光束,但通過幾次測量,發現它是折射軸棱錐的一個更好的解決方案。

        • 具有絕對角度精度,軸錐角無公差。

        • 衍射軸棱錐尖端無死區 – 整個區域具有相同的光學性能。

        • 精確和無噪聲的相位產生完美的貝塞爾光束。

        • 角度可以盡可能小,實現直接聚焦深度(DOF)區域控制,無需任何放大。

        • 無熱敏性 – 在所有條件下,性能都是恒定的。

        • 衍射錐透鏡是扁平輕薄的光學元件,提供了一種更緊湊、更優雅的解決方案,與折射軸棱錐體相比,更容易集成。

        衍射錐透鏡與折射軸棱錐

        衍射錐透鏡與折射軸棱錐

        衍射錐透鏡的規格范圍

        材料 石英玻璃,硒化鋅,塑料
        波長范圍 193納米 到10.6微米
        DOE設計 兩級,8級,16級
        元件尺寸 5毫米 到150毫米
        衍射效率 75%-98%
        涂層 AR/AR

        以色列Holo/Or衍射光學元件DOE

        以色列Holo/Or于1989年成立,至今已經有26年的歷史。Holoor設計和生產各種衍射光學元件(DOE)和微光學元件,應用于高精度和高功率和激光器,目前世界上只是極少數公司具有該項技術。Holo/Or的主要客戶包括醫療/美學激光,材料加工激光,計量激光和激光系統集成商等。新特光電在大中華地區全面代理Holo/Or的全系列產品,竭誠為各位激光行業的朋友提供服務。

        Holo/Or能夠實現對激光能量分布的各種調制,例如激光分束、激光聚焦、激光采樣、激光整形、平頂激光光斑、軸向多焦點、長焦深、勻光擴散、雙波長等各種對激光能量分布的控制。得益于研發團隊的超強設計能力,Holo/Or的衍射光學元件DOE具有高效率、高精度、高均勻性、小尺寸、重量輕和高損傷閾值的特點,我們還可針對客戶的特定應用快速提供定制化的服務。目前,Holo/Or已經在全球積累了數百家客戶,和全球知名的激光公司有些廣泛而緊密的合作。

        Holo/Or的衍射光學元件(DOE)使用透鏡表面的微納結構,改變激光的相位。通過恰當的設計,可以使入射激光按照任何期望的強度進行排布,從而對激光進行精準操縱。這種技術能夠使許多不符合標準折射光學系統的功能與光操縱變為可行。Holo/Or的衍射光學元件在許多激光應用中都發揮了重要作用,例如激光加工、激光打標、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光熱處理等領域。

        光束整形衍射光學元件

        • 平頂光束整形

        • M-Shape光束整形器,M波形光束整形元件/透鏡

        • 圓環激光發生器,激光多圓環發生器,激光圓環衍射光學元件

        • 渦鏡頭(產生微圓環光斑),漩渦鏡頭,激光軸棱鏡

        • 激光勻光器,激光擴散器(使激光均勻地擴散成一個平面)

        光束整形衍射光學元件

        光束分光衍射光學元件

        • 一維激光分束器,一維激光光束分束元件

        • 二維激光分束器,激光二維分束元件

        • 客制化激光光束分束器,客戶定制的激光分束元件,各種光能量分布,定制激光圖形

        • 激光光柵,衍射光柵

        • 激光采樣器,激光采樣元件,激光分光元件,激光取光元件

        光束分光衍射光學元件

        聚焦控制衍射光學元件

        聚焦控制衍射光學元件

        除了以上成熟的應用在外,武漢新特光電還愿意和客戶一塊開拓更多衍射光學元件的應用領域。例如以下領域:

        • 折衍混合透鏡

        • 光束均勻/勻光器

        • 光束準直

        • 光束的分束與合束

        • 光學圖象處理

        • 微型光譜儀

        • 光束掃描

        • 光盤讀數頭

        • 各種激光加工

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