衍射光束整形優(yōu)化激光玻璃切割工藝

從傳統(tǒng)上說(shuō)，可以通過(guò)機(jī)械方式切割玻璃，使用鋒利和堅(jiān)硬的工具，例如金剛石或硬質(zhì)合金輪，沿著要切割的區(qū)域在玻璃上切割。接下來(lái)，玻璃通常會(huì)被機(jī)械力折斷，進(jìn)而導(dǎo)致最初的裂紋完全穿透玻璃。

近年來(lái)，隨著激光市場(chǎng)的不斷發(fā)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(shù)可以提供更高的質(zhì)量和產(chǎn)量，許多傳統(tǒng)的機(jī)械加工流程（其中包括玻璃切割，特別是在新的及新興應(yīng)用中）正在向激光加工過(guò)渡。

激光玻璃切割

激光切割，一種非接觸式技術(shù)，能夠減少或完全避免機(jī)械技術(shù)帶來(lái)的危險(xiǎn)。例如，機(jī)械切割會(huì)產(chǎn)生微裂紋，折斷會(huì)產(chǎn)生碎屑，并且切割邊緣需要經(jīng)過(guò)額外的研磨和拋光過(guò)程，才能形成平滑的表面光潔度，因此，這樣既耗時(shí)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(huì)在玻璃中產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致邊緣強(qiáng)度更高，這對(duì)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(jī)械切割玻璃的兩到三倍。

一些應(yīng)用：利用這些經(jīng)改進(jìn)特性的應(yīng)用，包括平板顯示器（FPD）、電子消費(fèi)產(chǎn)品和汽車行業(yè)，這些行業(yè)需要非常薄的玻璃基板、高速操作和復(fù)雜的幾何形狀。

激光玻璃切割技術(shù)

利用激光功率加工玻璃有幾種不同的技術(shù)。最早提出的一種方法是激光劃線和斷裂技術(shù)。在這種方法中，波長(zhǎng)為10.6um的CO2激光通常用于加熱沿玻璃產(chǎn)生裂紋的窄線，隨后施加機(jī)械力來(lái)斷裂玻璃。有時(shí)會(huì)使用額外的激光。一種更加先進(jìn)的方法，采用控制斷裂技術(shù)，由于吸收光能而形成熱梯度，產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，從而在玻璃中產(chǎn)生裂紋。這個(gè)過(guò)程通常比劃線和斷裂需要更少的激光功率，因?yàn)樗窃诓ＡмD(zhuǎn)化溫度以下進(jìn)行的。這種設(shè)置的一個(gè)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(guò)液體冷卻，導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的加工特性，因?yàn)閱为?dú)聚焦可能導(dǎo)致玻璃在高斯強(qiáng)度峰值處液化，進(jìn)而導(dǎo)致不符合希望的微裂紋。為了克服這一點(diǎn)，通常使用光束整形器，在所需的能量閾值下產(chǎn)生均勻的能量強(qiáng)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(chǎn)量。隨著高能超短脈沖激光器（USP）的引進(jìn)，人們發(fā)現(xiàn)，它們?cè)诓Ａ懈顟?yīng)用中非常有用，因?yàn)樗鼈兊母吣苊}沖產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，而短脈沖則減少了玻璃的熱加熱，避免熔化和微裂紋問(wèn)題。不僅CO2激光器有效，近紅外激光器被發(fā)現(xiàn)在快速脈沖下也是有效的。這種方法的局限性之一就是對(duì)于薄基片有效率，但是對(duì)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(dòng)。使用這種技術(shù)切割厚玻璃（> 500微米）具有獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)榧す饽芰啃枰劢沟揭粋€(gè)窄點(diǎn)，然后沿玻璃深度均勻地分布。

通過(guò)將高能激光設(shè)置為精確的配置，就可以產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象，直到在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生一種“成絲”現(xiàn)象。“成絲”一詞，有時(shí)也用于在玻璃內(nèi)部形成“細(xì)絲”的其他方法，如DeepCleave和衍射錐透鏡，我們將重點(diǎn)關(guān)注這兩種解決方案，因?yàn)樗鼈円子趯?shí)現(xiàn)，并且可以以簡(jiǎn)單的方式添加到激光系統(tǒng)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(duì)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(chǎn)生平頂均勻分布的聚焦能量，以進(jìn)行精確處理。DeepCleave模塊是最好的解決方案。這是一個(gè)提供最佳性能的完整的光學(xué)解決方案。用于產(chǎn)生長(zhǎng)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(jí)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(gè)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(xué)元件。Holo/Or為激光玻璃切割應(yīng)用提供的另一個(gè)解決方案就是衍射多焦點(diǎn)衍射光學(xué)元件，它顯示出經(jīng)改進(jìn)的斜切效果。這種獨(dú)特的衍射光學(xué)元件在聚焦軸上分離光束，并以受控的間距產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)。這種組件的最佳效果通常與多焦點(diǎn)模組一起使用時(shí)實(shí)現(xiàn)，該模組的數(shù)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(chǎn)品，通常稱為FI optics（成絲切割），即激光焦點(diǎn)被拉長(zhǎng)成絲狀，沿Z軸均勻分布。此外，DeepCleave還是一種衍射光學(xué)模組，用于沿聚焦深度（DOF）增加的區(qū)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(diǎn)上，通常范圍為0.25-3 mm。獲得的聚焦光斑相當(dāng)于0.35 NA的物鏡，使DeepCleave模組成為一個(gè)完整的光學(xué)解決方案，無(wú)需使用額外的較高NA物鏡或其他高成本光學(xué)器件。

DeepCleave激光成絲切割模組通常用于近紅外波長(zhǎng)范圍的激光玻璃切割應(yīng)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(nèi)的應(yīng)用也在一些微觀應(yīng)用中取得了成功。

每個(gè)DeepCleave激光成絲切割模組在出廠時(shí)都附有一份全光特性和單獨(dú)的測(cè)試報(bào)告。

DeepCleave光學(xué)設(shè)置

為什么選擇DEEPCLEAVE用于激光玻璃切割應(yīng)用的原因：

• 單脈沖切割全深度玻璃。

• 在單個(gè)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(xiàn)有的光力學(xué)元件中。

DeepCleave玻璃切割模塊

DEEPCLEAVE強(qiáng)度分布的實(shí)時(shí)測(cè)量

DeepCleave ZT模塊007-I的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)使用移動(dòng)鏡頭+物鏡裝置以大約X5的放大率完成。

DEEPCLEAVE相對(duì)于激光玻璃切割應(yīng)用替代解決方案的優(yōu)勢(shì)

雖然替代解決方案（例如產(chǎn)生具有長(zhǎng)焦深焦距的類貝塞爾光束的標(biāo)準(zhǔn)衍射軸棱錐），也適用于激光玻璃切割應(yīng)用，但DeepCleave是一種更好的解決方案，因?yàn)樗谄巾斝螤钪鈳缀鯖]有“浪費(fèi)”能量，這是因?yàn)樗哂屑怃J的傳輸區(qū)域，與標(biāo)準(zhǔn)貝塞爾光束解決方案不同，在標(biāo)準(zhǔn)貝塞爾光束解決方案中，根據(jù)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(fèi)能量。

DeepCleave的這些特性可以轉(zhuǎn)化為以下主要工藝優(yōu)勢(shì)：

• 通過(guò)在有效脈沖區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳能量分布來(lái)提高產(chǎn)量，這與標(biāo)準(zhǔn)的Axicon不同，能夠降低切割相同基底厚度的處理能力

• 在進(jìn)程閾值設(shè)置為略低于DeepCleave強(qiáng)度水平時(shí)，與施加相同功率的標(biāo)準(zhǔn)貝塞爾光束相比，通過(guò)使用相同的處理功率來(lái)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(yōu)勢(shì)，圖中展示了當(dāng)對(duì)于兩者施加相同的能量時(shí)，DeepCleave 與 Axicon 沿聚焦軸的強(qiáng)度：

沿聚焦軸的DeepCleave與類貝塞爾光束的強(qiáng)度水平。

DEEPCLEAVE模塊的規(guī)格范圍

衍射錐透鏡—一種用于長(zhǎng)焦距的貝塞爾光束發(fā)生器

激光玻璃切割更基本的組件級(jí)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(dǎo)致長(zhǎng)、窄、緊的細(xì)絲，這種細(xì)絲被較高干涉階的圓形所環(huán)繞，這實(shí)際上是一個(gè)長(zhǎng)焦深。

衍射軸棱錐貝塞爾光束

為了實(shí)現(xiàn)貝塞爾光束的長(zhǎng)焦深聚焦功能，Holo/Or提供了一種衍射錐透鏡，也稱為長(zhǎng)焦深元件，這是一種特殊類型的衍射光學(xué)元件（DOE），它是一種窗格狀組件，通過(guò)微結(jié)構(gòu)改變穿過(guò)它的光的相位。

長(zhǎng)焦深衍射光學(xué)元件產(chǎn)生貝塞爾光束，然后可以使用外部透鏡進(jìn)行聚焦。當(dāng)聚焦時(shí)，貝塞爾光束比高斯光束具有更長(zhǎng)的聚焦深度，聚焦時(shí)，能量密度相應(yīng)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(zhǎng)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(zhǎng)焦深衍射光學(xué)元件

衍射錐透鏡與折射軸棱錐的優(yōu)勢(shì)

衍射錐透鏡，很像折射軸棱錐，產(chǎn)生貝塞爾光束，但通過(guò)幾次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它是折射軸棱錐的一個(gè)更好的解決方案。

• 具有絕對(duì)角度精度，軸錐角無(wú)公差。

• 衍射軸棱錐尖端無(wú)死區(qū) – 整個(gè)區(qū)域具有相同的光學(xué)性能。

• 精確和無(wú)噪聲的相位產(chǎn)生完美的貝塞爾光束。

• 角度可以盡可能小，實(shí)現(xiàn)直接聚焦深度（DOF）區(qū)域控制，無(wú)需任何放大。

• 無(wú)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(xué)元件，提供了一種更緊湊、更優(yōu)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

衍射錐透鏡的規(guī)格范圍

以色列Holo/Or衍射光學(xué)元件DOE

以色列Holo/Or于1989年成立，至今已經(jīng)有26年的歷史。Holoor設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各種衍射光學(xué)元件（DOE）和微光學(xué)元件，應(yīng)用于高精度和高功率和激光器，目前世界上只是極少數(shù)公司具有該項(xiàng)技術(shù)。Holo/Or的主要客戶包括醫(yī)療/美學(xué)激光，材料加工激光，計(jì)量激光和激光系統(tǒng)集成商等。新特光電在大中華地區(qū)全面代理Holo/Or的全系列產(chǎn)品，竭誠(chéng)為各位激光行業(yè)的朋友提供服務(wù)。

Holo/Or能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光能量分布的各種調(diào)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(diǎn)、長(zhǎng)焦深、勻光擴(kuò)散、雙波長(zhǎng)等各種對(duì)激光能量分布的控制。得益于研發(fā)團(tuán)隊(duì)的超強(qiáng)設(shè)計(jì)能力，Holo/Or的衍射光學(xué)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(diǎn)，我們還可針對(duì)客戶的特定應(yīng)用快速提供定制化的服務(wù)。目前，Holo/Or已經(jīng)在全球積累了數(shù)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(xué)元件（DOE）使用透鏡表面的微納結(jié)構(gòu)，改變激光的相位。通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以使入射激光按照任何期望的強(qiáng)度進(jìn)行排布，從而對(duì)激光進(jìn)行精準(zhǔn)操縱。這種技術(shù)能夠使許多不符合標(biāo)準(zhǔn)折射光學(xué)系統(tǒng)的功能與光操縱變?yōu)榭尚小olo/Or的衍射光學(xué)元件在許多激光應(yīng)用中都發(fā)揮了重要作用，例如激光加工、激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光熱處理等領(lǐng)域。

光束整形衍射光學(xué)元件

• 平頂光束整形

• 聚焦型平頂光束整形元件，聚焦平頂光束整形元件器件，激光平頂光斑透鏡

• 角度型平頂光束整形元件，發(fā)散型平頂光束整形器件，角度型激光平頂光斑透鏡

• M-Shape光束整形器，M波形光束整形元件/透鏡

• 圓環(huán)激光發(fā)生器，激光多圓環(huán)發(fā)生器，激光圓環(huán)衍射光學(xué)元件

• 渦鏡頭（產(chǎn)生微圓環(huán)光斑），漩渦鏡頭，激光軸棱鏡

• 激光勻光器，激光擴(kuò)散器（使激光均勻地?cái)U(kuò)散成一個(gè)平面）

光束分光衍射光學(xué)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

聚焦控制衍射光學(xué)元件

• 多焦點(diǎn)激光透鏡，軸向多焦點(diǎn)激光元件

• 長(zhǎng)焦深激光透鏡，長(zhǎng)焦深激光元件

• 雙波長(zhǎng)激光透鏡，雙波長(zhǎng)激光衍射元件，多波長(zhǎng)激光衍射光學(xué)元件

除了以上成熟的應(yīng)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(xué)元件的應(yīng)用領(lǐng)域。例如以下領(lǐng)域：

• 折衍混合透鏡

• 光束均勻/勻光器

• 光束準(zhǔn)直

• 光束的分束與合束

• 光學(xué)圖象處理

• 微型光譜儀

• 光束掃描

• 光盤讀數(shù)頭

• 各種激光加工