用于切割和切割后加工硬質電介質材料的多激光器系統和方法與流程
相關申請的交叉引用
本申請要求于2014年8月28日遞交的美國臨時專利申請序列號no.62/043,363的權益，其中通過引用的方式將其整體合并于此。本申請涉及2014年2月28日提交的題為“用于加工藍寶石的激光器系統和使用所述激光器系統的方法”的國際申請號no.pct/us14/19460(代理人案卷號ipgp004pct)和2014年2月28日提交的題為“使用具有不同波長和/或脈沖持續時間的多個激光束的多光束激光加工”的美國臨時專利申請號no.61/945,911(代理人案卷號ipgm006p)，二者的全部內容通過引用并入本文。
本公開涉及使用激光器加工硬質電介質材料，更具體地，涉及用于切割和切割后加工諸如陶瓷的硬質電介質材料的多激光器系統和方法。
背景技術：
諸如藍寶石(al2o3)、增韌玻璃(諸如，
由于激光加工方法提供對于大批量生產更為有效的非接觸過程，已經使用激光器加工方法來提高效率。還可以控制激光劃線切割深度以減小在斷裂過程期間在晶片上的應力，并且激光劃線有利于劃線器的精確定位。因此與傳統的機械方法相比，激光加工具有增加生產量、成本低、易于使用和高產量的整體優點。
然而，當使用激光加工某些材料時存在困難。例如，藍寶石的帶隙約為8ev，在正常的低強度照射下，藍寶石在從5000nm至約300nm的范圍內是光學透明的。因此，對藍寶石的常規激光加工使用更可能被藍寶石吸收的激光，例如，在約157nm和約355nm之間的波長范圍內操作的duv和uv激光器。
還使用具有納秒脈沖寬度的超快激光器(例如，皮秒和更短的脈沖寬度)和/或q開關脈沖激光器來對藍寶石進行激光加工。這種激光器可以用于發射具有能夠燒蝕藍寶石的高峰值功率的脈沖。還可以使用皮秒激光器來在藍寶石襯底內部聚焦，從而在不影響頂表面和底表面的前提下在襯底內形成裂紋。在形成裂紋之后，可以接著將切割部分與襯底機械分離。
如上所述的用于對藍寶石進行激光加工的現有技術還具有其他缺點。具體地，脈沖激光器的成本較高，并且形成裂紋和分離部件的多步驟過程是耗時且成本低效的。此外，uv切割所用的波長需要使用晶體，所述晶體可以具有較短的使用壽命并且可以在維護這些激光器的方面存在問題。
切割硬質介電材料也面臨挑戰，這是由于切割后材料可能會形成缺陷和瑕疵。包括晶體和非晶陶瓷在內的硬質電介質材料具有在壓縮失敗之前張力失效的傾向。例如，切割邊緣處的應力集中可以導致整個材料的裂紋擴展。當使用某些類型的激光進行切割時，這些材料可能更易受到這些缺陷和瑕疵。最高效地執行切割的激光器(例如，以較低的成本和更高的速度)有時可以引起邊緣缺陷，諸如，在切割邊緣附近的碎裂、開裂和誘發性應力集中。
因此，需要一種以時間高效和成本高效的方式以增加的速度對硬質電介質材料進行高效激光切割同時還減少邊緣缺陷的系統和方法。
技術實現要素：
根據一種實施例，提供了一種用于從硬質電介質材料激光切割一部分并對所述部分進行切割后加工的方法。所述方法包括：使用至少第一激光束切割硬質電介質材料的至少一部分，其中從按照準連續波(“qcw”)模式操作以便發射波長范圍在約1060nm和約1070nm之間的連續激光脈沖的連續波激光器發射所述第一激光束；以及使用至少第二激光束對所述至少一部分的切割邊緣進行切割后加工，以斜切和/或拋光所述至少一部分的切割邊緣，使得減少邊緣缺陷。
根據另一實施例，多激光器系統包括：第一激光器系統，用于使用至少第一激光束切割硬質電介質材料的至少一部分，以及第二激光器系統，用于使用至少第二激光束對所述至少一部分的切割邊緣進行切割后加工以斜切和/或拋光所述至少一部分的切割邊緣，使得減少邊緣缺陷。所述第一激光器系統包括按照準連續波(“qcw”)模式工作以發射波長范圍在約1060nm和約1070nm之間的連續激光脈沖的連續波激光。多激光器系統還包括至少一個移動臺，用于支撐所述硬質電介質材料和所述切割部分，并用于分別相對于所述第一激光器系統和所述第二激光器系統移動所述硬質電介質材料和所述切割部分。多激光器系統還包括控制系統，配置為控制所述第一激光器系統、所述第二激光器系統和所述至少一個移動臺。
附圖說明
通過結合附圖閱讀以下詳細描述，將更清楚上述和其他特征和優點，附圖中：
圖1是根據本公開實施例的使用準連續波(qcw)激光器系統來切割硬質電介質材料的激光加工系統的示意圖。
圖2是根據本公開另一實施例的多光束激光加工系統的示意圖。
圖3是根據本公開另一實施例的多光束激光加工系統的示意圖。
圖4a-4c示出了根據本公開實施例的用于拋光從硬質電介質材料切割的一部分的切割邊緣的方法。
圖5a-5c示出了根據本公開另一實施例的用于拋光從硬質電介質材料切割的一部分的斜切切割邊緣的方法。
圖6a-6d示出了根據本公開實施例的用于通過用垂直激光束進行激光銑削來斜切從硬質電介質材料切割的一部分的切割邊緣的方法。
圖7a-7d示出了根據本公開另一實施例的用于通過用成角度的激光束進行激光銑削來斜切從硬質電介質材料切割的一部分的切割邊緣的方法。
圖8a和8b示出了根據本公開另一實施例的用于通過激光切割來斜切從硬質電介質材料切割的一部分的切割邊緣的方法。
圖9a是根據本公開實施例的與相對于部件的不同軸對準的成角度的激光束的透視圖。
圖9b和9c示出了根據本公開實施例的用于通過用協調運動來移動切割部分以便連續改變成角度的激光束的角度來斜切部件的邊緣從而產生圓角斜面的方法。
圖10a和10b示出了根據本公開另一實施例的用于通過從相對于所述光束的水平軸移開所述部件以連續改變成角度的光束的角度來斜切所述部件的邊緣從而產生圓角的斜面的另一方法。
圖11a和11b是根據本公開實施例的相對于圓形部件定向的成角度的激光束的透視圖，其中成角度的光束以相對于圓形部件的半徑的不同角度對準以提供不同斜角。
圖12a和12b示出了根據本公開實施例的圓形部件相對于用于斜切圓形部件的邊緣的成角度光束的協調運動。
圖13是根據本公開實施例的圓形部件的示意圖，示出了用于提供用于斜切圓形部件的邊緣的協調運動的參數。
圖14是用激光束形成直的斜邊緣的圓形部件的透視圖。
圖15是具有圓形斜切邊緣的圓形部件的透視圖。
具體實施方式
根據本公開實施例的硬質電介質材料的激光加工可以包括：使用按照準連續波(qcw)模式操作的連續波激光器從硬質電介質材料切割一部分，其中該連續波激光器發射波長范圍在約1060nm至1070nm內的連續激光脈沖(以下稱為“qcw激光器”)。可以以較低占空比(例如，約1％至15％之間)并在惰性氣體環境下(如氮氣，氬氣或氦氣)執行通過使用qcw激光器的切割。硬質電介質材料的激光加工還可以包括：對從電介質材料切割的部分的切割邊緣進行切割后加工，例如通過斜切和/或拋光所述邊緣以減少邊緣缺陷。可以使用與用于切割的光束具有不同激光參數的激光束來執行切割后加工，例如，通過使用較短波長(例如，193nm準分子激光器)和/或較短脈沖寬度(例如，皮秒激光器)。
如本文所用，“硬質電介質材料”是指包括硬度的莫氏標度大于5的陶瓷在內的電介質材料。硬質電介質材料的示例包括但不限于藍寶石和
如本文所用，“邊緣缺陷”是指在位于部件的切割邊緣處具有導致裂紋在硬質電介質材料中擴展的傾向的碎裂、開裂、應力集中和/或其它缺陷。如本文所使用，“斜切”和“對...進行斜切”是指使用激光器去除部件邊緣處的材料，使得邊緣的至少一部分不再垂直于所述部件的表面并且包括圓角。如本文所使用，“拋光”和“對...拋光”是指使用激光器消除和/或熔化部件邊緣上的材料，使得所述邊緣變得更平滑，而基本不改變所述邊緣相對于所述部分的表面的角度。
如本文所用，“波長”是指激光器的近似輻射波長，且可以包括在所述波長周圍的波帶或波長范圍。如本文所用，“紫外(uv)范圍”是指10nm到380nm的光譜范圍，“可見范圍”是指380nm到700nm的光譜范圍，“綠光范圍”是指532nm處或532nm附近的范圍，且“紅外范圍”是指700nm到10.3μm的光譜范圍。如本文所使用，“超快激光器”是指發射具有小于1納秒的持續時間或脈沖寬度(包括皮秒和飛秒級的持續時間)的激光脈沖的激光器，且“皮秒激光器”是指發射具有持續時間或脈沖寬度在1皮秒和1納秒之間的激光脈沖的激光器。如本文所用，“吸收中心”是指在非吸收型材料中的位置，其中已修改在所述位置中的材料的特性(例如，彈坑、粗化、光學損壞、內部材料缺陷、色心、體材料特性改變或溫度增加)，使得相較于所述材料的未修改區域，光線更有可能被吸收。
參考圖1，描述了激光加工系統100的實施例，用于使用聚焦激光束來加工諸如藍寶石襯底的工件102。工件102也可以由其他較大帶隙的和/或透明的材料制成，包括但不限于：鋁金剛石、氮化鎵、碳化硅、硒化鋅、硅、氮化硅、氮化鋁、藍寶石上的氮化鎵和玻璃(例如，熔融石英或二氧化硅)。盡管這里描述的示例實施例主要涉及對藍寶石或其它硬質電介質材料的激光處理或加工，但是仍可以用所公開的激光加工系統來成功地加工這些其它大帶隙材料中的至少一部分。
在所示實施例中，激光加工系統100包括qcw單模(sm)光纖激光器110，從加工無源光纖112的下游端發射單模、衍射受限的激光束111。qcw光纖激光器110的功率范圍可以從500w到50kw，并且可以具有單片全固態的光纖-光纖設計，其不需要反射鏡或光學器件來進行對準或調節。qcw光纖激光器10也可以是模塊化的，由多個激光器單元構成，每個激光器單元產生數百瓦的輸出功率。這樣也允許激光器系統包含預留模塊(reservemodule)和功率余量(powermargins)。qcwsm光纖激光器可以包括例如發射波長約為1070nm的qcwsm鐿光纖激光器，諸如可從ipg光子公司獲得的qcw系列。在其他實施例中，激光器可以包括光纖盤激光器或棒狀激光器，諸如nd：yag激光器。還可以使用多模激光器。
激光加工系統100還包括準直器130，用于準直光束111；以及光束彎曲器或反射器132，用于將光束111引導到聚焦透鏡140。聚焦透鏡140可以將光束111聚焦為比較小的光斑大小，例如在約14-30μm的范圍內。備選地或附加地，其它光學器件也可以用于修改和/或將激光束引導到期望位置。這種光學器件可以包括但不限于擴束器、光束準直器、光束整形透鏡、反射鏡、掩模、分束器和掃描儀(例如，電流計)。
激光加工系統100還包括激光頭，所述激光頭包括與氣體輸送系統162相耦接的噴嘴160。當加工工件102時，氣體輸送系統162可以向靠近工作區的噴嘴160提供惰性氣體流，例如氮氣、氬氣或氦氣。可以在約100至300psi范圍內的壓力來輸送氣體。惰性氣氛的存在提高了激光加工的效率。
激光加工系統100還包括平移臺170，配置為沿一個或多個軸或維度向工件102施加平移運動，從而允許工件102相對于聚焦激光束移動。平移臺170可以是手動操作的或者可以從控制器172接收命令。備選地，激光器110可以相對于待加工的工件102移動和移位。控制器172包括諸如中央處理單元(“cpu”)之類的處理電路，以與平移臺170進行通信。
qwcsm光纖激光器110包括泵浦源114，可操作為針對持續時間足以將激光器操作為盡可能接近其穩定狀態的時間間隔，將該泵浦源接通，即，該激光器光學上處于連續波操作狀態下，也被稱作準連續波(qcw)模式。控制器172可以用于控制泵浦源114。選擇激光器接通的時間百分比(即，占空比)，以減少加熱和加熱相關問題。控制器172可以控制泵浦源114例如具有約1％至15％范圍內的占空比。因此，以qcw模式工作的qcwsm光纖激光器110可以具有較高的輸出峰值功率和較低的平均功率。對于切割硬質電介質材料，脈沖寬度或持續時間可以在10μs至600μs的范圍之間，具體取決于切割厚度，其中對于厚度小于400微米的藍寶石可以使用較短的脈沖持續時間，對于1mm以上的增加厚度可以使用較長脈沖持續時間。
各種加工技術可以通過使用上述激光加工系統100來改善對硬質電介質材料的切割。例如，激光加工系統100可以在不停止的情況下執行基本恒定速度的加工，以維持切割并使裂紋最小化，和/或恒定脈沖間隔，以保持施加到工件102的平均功率基本恒定。例如，一旦在由藍寶石制成的工件102中開始切割，則熔融藍寶石的性質發生顯著變化(例如，反射率降低)，保持基本恒定的速度和/或平均功率可以避免由于溫度的劇烈變化而引起的切割不一致性。如果切割速度增加或減小，則可以實時調整激光參數，以維持基本恒定的平均功率。保持基本恒定的平均功率也可以改善在高應力藍寶石中的切割。在切割之前，還可以通過在藍寶石中鉆出應力釋放孔，來釋放在高應力藍寶石中的應力。
在其他實施例中，可以針對不同藍寶石類型(例如，a平面藍寶石和c平面藍寶石)，每個切割軸使用不同的過程參數(例如，切割速度和重復率)。由于c平面是六角藍寶石晶體的基部，所以垂直于c平面的切割可以在切割質量方面表現出對稱性。
在其他實施例中，可以基于材料厚度來優化激光束的聚焦放置。例如，對于1mm的藍寶石工件，激光束的焦距范圍可以從材料內部250μm(即，-250μm)至材料上方1mm(即，+1000μm)，以便獲得最佳質量和零件分離。對于0.4mm的厚度，該范圍可以從-200μm至+200μm。
在一個示例中，使用通過使用以下工藝和激光參數來加工厚度為0.7mm的藍寶石襯底：鐿(yb)單模激光器；1070nm波長；14μm纖芯直徑；60mm準直距離；123mm焦距；28.7μm光斑大小；900w峰值功率；87.5μs脈沖持續時間；400hz脈沖頻率；78.7mj脈沖能量；250psi下的氬氣或氮氣輔助氣體；0.5mm噴嘴距離；1.5mm噴嘴孔；以及8.46mm/s切割速度。
在另一示例中，使用不同占空比、脈沖頻率和速度的yb摻雜的qcwsm光纖激光器，用不同加工操作(例如，劃線、切割和鉆孔)處理不同厚度(例如，0.015英寸和0.040英寸)的樣品藍寶石襯底。下表i示出了用于這些加工操作的參數：
表i
在該示例中，用285w的激光束對0.015”厚的藍寶石樣品進行劃線以約420ipm的速度去除樣品厚度的約30％。切割0.015”厚的藍寶石樣品在285w的功率和約40ipm的速度下也是有效的。在藍寶石樣品中鉆圓形孔在相對較低的速度下成功。在0.040”厚的晶圓上也成功地進行了相同的加工操作。
這些示例說明可以通過波長在約1060-1070nm范圍內的qcwsm光纖激光器有效地加工藍寶石襯底。具有相對較小光斑的單模光束提供能夠分解該材料的高功率密度。在較低占空比下，即,較低平均功率，似乎有可能進行更好的加工。可以隨著材料厚度增加而需要更高的峰值功率和平均功率，但是，較低占空比似乎相較于峰值功率是更關鍵的因素。
在另一示例中，可以以20英寸/分鐘的速度，在900w、500hz和3％占空比(即，平均功率為27w)下實現高質量切割。在該示例中，通過將脈沖頻率增加到1000hz，切割速度可以加倍至40英寸/分鐘。響應于放大激光功率，切割的質量可能劣化。此外，質量可以在較短的脈沖寬度(例如，50-100微秒)下得到改善，這樣可能導致高速處理。更長的脈沖也提供高質量的切割，但是增加占空比會導致更長的時間來完成加工。
在另一示例中，使用以下工藝和激光參數來處理厚度在約0.4mm和0.7mm之間的藍寶石襯底：鐿(yb)單模激光器；1070nm波長；14μm纖芯直徑；60mm準直距離；123mm焦距；28.7μm光斑大小；250psi下的氬氣或氮氣輔助氣體；以及1.5mm噴嘴孔。下表ii示出了使用具有不同峰值功率、頻率、占空比、脈沖寬度和切割速度的上述參數進行加工的結果。
表ii
基于上述內容，可以成功地使用波長在1060-1070nm范圍內的qcwsm激光器，以便以最少的裂紋和碎屑來切割藍寶石襯底。在上述示例中，0.7mm厚的襯底具有更好的切割質量。0.4mm厚的襯底沿著切口邊緣顯示碎屑；然而，碎屑通常小于40微米，這被認為是普通技術人員公認的高質量切割。本文公開的激光加工方法對于高頻同樣是敏感的，其中在較高頻率下發生顯著的碎屑。切割的質量還取決于占空比的持續時間，其中降低的占空比改善切割質量。占空比最高可達10％的高于1600w的峰值功率可以不提供任何明顯的優勢，但低于1％的占空比可以劣化切割質量。在這些示例中，在200和300psi之間的氣體壓力范圍還改善工藝的效率。光斑大小通常在約14至30微米之間，并且使用低于14微米的光斑大小通常基本上不影響該工藝的質量和效率。
在另一示例中，通過使用具有以下參數的50微米光纖的多模qcw激光器，成功地切割厚度為2.7mm的藍寶石襯底：15kw峰值功率；450w平均功率；0.6ms脈沖寬度；100微米光斑大小；50hz重復率；3％占空比；10ipm速度；100psi下的氬氣；1.5mm噴嘴直徑；以及1mm的距離。有可能由于在藍寶石中發現微量鈦，發現可以使用氬氣或氦氣作為輔助氣體來改善切割效率。
參考圖2，多光束激光加工系統200也可以用于加工藍寶石或其他硬質電介質材料。可以使用具有不同特性(例如，波長和/或脈沖持續時間)的輔助激光束211和加工激光束221在藍寶石襯底或工件202上執行多光束激光加工。輔助激光束211被引導到工件202上或工件202內的目標位置208，以修改藍寶石的性質(例如，誘發損傷或增加溫度)，使得在藍寶石中形成吸收中心。加工激光束221指向目標位置208并被耦合到形成在藍寶石中的吸收中心以完成對藍寶石的加工。輔助激光束211和加工激光束221每個都不能完全加工藍寶石工件，而是一起(無論同時地或依次地)提供使能加工的協同作用(synergy)。
多光束激光加工系統200的所示實施例包括：用于產生輔助激光束211的輔助激光器210(例如，約532nm的綠色激光器)以及用于產生加工激光束221的加工激光器220(例如，約1060到1070nm的qcwsm光纖激光器)。在將輔助激光束和加工激光束合束之前，輔助激光器和加工激光器210、220分別與用于修改輔助激光束和加工激光束211、221的對應光束傳輸系統212、222光學耦接。多光束激光加工系統200還包括：合束器230、聚焦透鏡240、激光加工頭260以及一個或更多個反射器或反射鏡252、254、256，用于將輔助激光束和加工激光束211、221作為合束的激光束231引導至工件202上或工件202中的同一目標位置208。
盡管所示實施例示出了同時對輔助激光束和加工激光束211、221進行合束，然而還可以在不同時間將所述光束引導至同一目標位置208來對所述光束211、221進行合束。同時引導激光束211、221可以包括在激光束211、221的突發或脈沖之間任意交疊量，且不必要求激光束具有相同的突發或脈沖持續時間。輔助激光束211可以在加工激光束221之前或在其期間開始。還可以在不同時間將激光束211、221引導至工作件202，例如，輔助激光束211在加工激光束221之前。
在所示實施例中，輔助激光器210可以是摻雜稀土元素的光纖激光器，諸如ipg光子公司提供的glp系列脈沖型綠光光纖激光器。在其他實施例中，輔助激光器210可以包括而激光泵浦固態(dpss)激光器、準分子激光器、氣體激光器和本領域技術人員熟知的其他類型激光器。加工激光器220還可以是摻雜稀土元素的光纖激光器，諸如ipg光子公司提供的qcw系列單模摻鐿光纖激光器。
輔助激光束傳輸系統212可以包括可變望遠鏡以便提供對輔助激光束211的擴束和發散控制。具體地，可以控制輔助激光束211的發散，以便具有優化的數值孔徑(na)，從而在將激光束211、221合束之后，創建與加工激光束221實質上相同的焦平面。加工激光束傳送系統222可以包括準直器，例如焦距為100mm的準直透鏡。備選地或附加地，光束傳送系統212、222還可以包括用于將激光修改和/或定向到期望位置的其它光學器件。這種光學器件可以包括但不限于擴束器、光束準直器、光束成形透鏡、反射鏡、掩模、分束器和掃描儀(例如，電流計)。
在所示實施例中，合束器230包括用于分別有選擇性地反射輔助激光束和加工激光束211、221的波長的反射器或反射鏡232、234，使得沿著相同光軸引導所述光束211、221。第一反射鏡232是鍍膜的以便反射加工激光束221的波長，且第二反射鏡234在一側是鍍膜的以便反射加工激光束221的波長，并在另一側是未鍍膜的以便允許輔助激光束211的至少一部分透過。因此，第二反射鏡234將這兩個光束211、221進行合束。在使用綠光輔助激光束211和ir加工激光束221的實施例中，例如，第一反射鏡232可以是ir鍍膜的，且第二反射鏡234可以在一側上是ir鍍膜的且在另一側是未鍍膜的。第二反射鏡234的未鍍膜側依然可以將輔助激光束211的一部分反射到束流收集器(beamdump)250。合束器230的其他實施例也在本公開的范圍內。
反射鏡252、254、256可以是鍍膜的，以便反射期望波長的激光束211、221。在使用綠光輔助激光束211和ir加工激光束221的實施例中，例如，反射綠光激光束的反射鏡252、254可以是532nm或綠光鍍膜的反射鏡，能夠反射綠光輔助激光束211，且反射鏡256可以是ir-綠光雙鍍膜的反射鏡，能夠反射綠光輔助激光束211和ir加工激光束221二者。在一個實施例中，多光束激光加工系統200的透射率對于輔助激光束211可以是40％，且對于加工激光束221可以是90％.
盡管所示實施例示出了使用反射鏡的自由空間傳輸，然而還可以使用其他光學組件來傳送和/或合并所述激光。例如，可以將一個或更多個光纖用于向激光加工頭260傳送激光束。在該實施例中，可以通過將激光聚焦到工件202上或工件202中的同一位置208，來對所述激光合束。
聚焦透鏡240可以是單個聚焦透鏡，諸如例如焦距為88mm且ir鍍膜的透鏡。聚焦透鏡240可以能夠將激光束聚焦為直徑或尺寸在約30到40μm的范圍內的光點。在其他實施例中，光束傳送系統和聚焦透鏡24可以能夠將激光211、221聚焦為甚至更小的光點，例如，15μm或更小。
在所示實施例中，激光加工頭260包括氣體輔助噴嘴262，以便將加壓的氣體介質連同激光束引導至工件202，從而例如當使用氣體來幫助排除熔融材料的熱切割工藝時，方便激光加工。氣體介質可以包括例如氧氣(o2)。在其他實施例中，氣體介質可以是惰性氣體，諸如氮、氬或氦。
盡管所示實施例示出了多個激光器210、220產生輔助激光束211和加工激光束221，然而還可以通過使用產生輔助激光束211和加工激光束221二者的同一激光源來執行多激光束加工方法。例如，可以從激光源產生具有一組參數(例如，較短波長和/或脈沖持續時間)的輔助激光束，并且可以從同一激光光源產生具有不同參數組(例如，較長波長和/或脈沖持續時間)的加工激光束。還可以通過使用不同的光束傳輸系統來對由激光源產生的單個激光束進行分束和修改，以便產生具有不同特征的輔助激光束和加工激光束。
上述激光加工系統100和多光束激光加工系統200可以用于對本文所述的硬質電介質材料進行切割和/或切割后加工。在激光加工系統100中，例如，qcw激光器110可以用一組參數操作以產生用于切割的第一激光束，并且可以用另一組參數(例如，不同的脈沖持續時間、占空比、脈沖能量、脈沖重復率等)操作以產生用于切割后加工的第二激光束。在多光束激光加工系統200中，激光器之一220可以用于產生適于切割硬質電介質材料的激光束，且激光器中的另一個210可以用于產生適于切割后加工硬質電介質材料的激光束。下面更詳細地描述用于切割后加工的方法。
在圖2所示的多光束激光加工系統200的實施例中，使用相同的激光加工頭260沿著相同的光軸或路徑將多個光束引導到工件。參考圖3，多光束激光加工系統300的另一實施例可以沿著不同的光軸或路徑來引導多個激光束。在該多光束激光加工系統300中，可以使用需要不同光學元件的不同激光器。該多光束激光加工系統300也可以用于根據上述和下文描述的方法進行對硬質電介質材料的切割和/或切割后加工。
多光束激光加工系統300通常包括用于產生和傳送第一激光束311的第一激光器系統310以及用于產生和傳送第二激光束321的第二激光器系統320。每個激光器系統310、320包括用于傳送由相應的第一和第二激光源314、324產生的相應的第一和第二激光束311、321的光束傳送系統312、322。光束傳送系統312、32可以是聚焦光束、成形光束、掃描光束或熱切割頭光束傳送系統。光束傳送系統312、322可以包括在這種光束傳輸系統中使用的光學器件或其他元件的任何組合，包括但不限于，擴束器、光束準直器、光束整形透鏡、反射鏡、掩模、分光鏡、聚焦透鏡和掃描器(例如，電流計)。
激光源314、324可以包括但不限于光纖激光器、二極管泵浦固態(dpss)激光器和準分子激光器。在所示實施例中，至少第一激光源314是從光纖315發射激光的光纖激光器。第一激光源314可以包括例如qcw光纖激光器，諸如上述的qcwir單模光纖激光器。至少第一激光器系統310還可以包括具有氣體輔助噴嘴的激光加工頭360，以將加壓氣態介質導向工件302，從而促進例如如上所述的激光加工。
第二激光源324產生具有與由第一激光器系統310產生的第一激光束311不同的特性或參數(例如，波長、脈沖持續時間、能量、功率、取向)的第二激光束321。第二激光源324可以包括例如比第一激光源314具有更短波長(例如，綠色)的光纖激光器和/或比第一激光源314具有更短脈沖持續時間(例如，皮秒或更短)的光纖激光器。第二激光源324還可以包括準分子激光器或dpss激光器。
第二激光器系統320也可以被配置為使第二激光束321相對于工件302的表面成一角度。對于斜切或拋光操作，例如，第二激光束321可以相對于垂直于工件302表面的軸具有大于0°并小于臨界角的入射角，更優選地，在15°至65°的范圍內。如本文所使用，“臨界角”是指在其上發生全反射的入射角。一種使激光束成一定角度的方法是相對于聚焦透鏡偏離軸線地引導激光束。用于使激光器成一定角度的其它技術可以包括：在光束傳送系統中以一定角度反射光束并傾斜激光加工頭。例如，使用光纖激光器，可以直接將光纖輸送提供給激光加工頭，激光加工頭如同圍繞部件的多軸機器人一樣移動。在其他示例中，該部件可以在光束不移動的情況下在多個軸線上移動。
多光束激光加工系統300還包括至少一個移動臺370，用于支撐工件302并且相對于第一激光束311和/或第二激光束321沿一個或多個軸線或方向移動工件302。移動臺370可以包括能夠旋轉工件并沿著x和y軸移動工件的x-yθ移動臺，例如本領域技術人員已知的并且當前可用的類型。例如,移動臺370還可以能夠相對于激光束傾斜工件302，而不是使激光束傾斜。盡管示出了一個移動臺370，但是多光束激光加工系統300可以包括針對每個激光器系統310、320的移動臺，并且工件302可以從一個移動臺傳送到另一移動臺，以由不同的激光器系統310、320進行加工。控制系統372可以用于控制移動臺370以及激光器系統310、320的操作。控制系統372可以包括用于控制激光加工系統的硬件和軟件的任何組合。
在至少一個實施例中，第一激光器系統310用于切割硬質電介質材料，且第二激光器系統320用于對從硬質電介質材料切割的部分進行切割后加工。因此，第一激光源314可以是適于高效地并以較高速度切割硬質電介質材料的激光源，例如，如上所述的qcwir激光器。第二激光源324可以是適于對從硬質電介質材料切割的部分的切割邊緣進行斜切和/或拋光的激光源，以減少或消除邊緣缺陷而不引起附加子表面應力。因此，當第一激光器系統310切割部件并產生諸如應力集中的邊緣缺陷時，可以使用第二激光器系統320將切割部分恢復到切割前的應力條件。通常，提供更好的吸收和與硬質電介質材料的耦合而沒有顯著熱效應的激光束可以更適合于斜切和/或拋光。
在一些實施例中，第二激光源324可以包括較短波長的激光器，例如，193nm或248nm準分子激光器，或較短的脈沖激光器，例如，超快激光器(例如，皮秒激光器或飛秒激光器)。在透明材料中，較短波長的激光器由于較高的光子能量而提供更好的吸收，且較短的脈沖激光器由于較高的峰值功率而提供更高的非線性吸收。當第二激光源324是超快速或皮秒激光器時，例如，可以產生波長在ir范圍(例如1060-1070nm)、綠光范圍(例如532nm)或uv范圍(例如，266nm，355nm)內的激光束，其能量密度在約5至15j/cm2的范圍內，且脈沖重復率大于200khz。可以以較高掃描速度的電流工藝將超快速或皮秒激光器引導到工件上。當第二激光源324是準分子激光器時，例如，可以產生脈沖持續時間在10至30ns的范圍內的激光束，其能量密度在10至20j/cm2的范圍內，且重復率在100至400hz的范圍內。可以通過成像技術和基于平臺的工藝將準分子激光器引導到工件上，其中所述工藝相對激光光束移動工件。具有良好聚焦性的qcw激光器(例如，對于單模，m2<1.05)也能夠提供用于耦合的較高功率密度。還可以將其他激光器用作第二激光源324，包括uv范圍或可見光范圍內的具有其它脈沖持續時間的其它光纖激光器或準分子激光器。
對于以下更詳細描述的任何斜切和拋光操作，可以根據所述操作，產生激光束，所述激光束的參數提供足以消除和/或熔化材料的吸收而不產生不期望的熱效應。可以針對于拋光而不是斜切，有區別地調整激光器的加工參數。例如，在拋光操作中，可以使用較低的能量密度來實現更小的每脈沖去除率以及對周圍材料的更小的影響。
在其他實施例中，激光器系統310、320中的至少一個可以用于執行多個加工操作。第一激光器系統310可以用于例如從硬質電介質材料切割一部分，然后斜切切割部分的邊緣，且第二激光器系統320可用于拋光所述斜邊的邊緣。
圖4a-4c示出了用于拋光從硬質電介質材料切割的切割部分402的切割邊緣403的一種方法。如圖所示，切割部分402包括靠近切割邊緣403的邊緣缺陷404，例如，碎屑和裂紋。這些邊緣缺陷404可以是例如使用qcwir光纖激光器對來自硬質電介質材料的一部分402進行激光切割的結果。在該示例中，切割邊緣403基本上垂直于切割部分402的表面406，且激光束421基本上垂直于切割部分402的表面406或與切割部分402的表面406垂直。激光束421可以位于足以在切割邊緣403處去除和/或修改(例如，通過消融和/或熔化)材料的深度405(圖4a和4b)，使得去除或減少邊緣缺陷404。在一個示例中，材料去除的深度405可以在約10-30微米的范圍內。可以沿著邊緣403掃描激光束421(例如，通過移動光束421和/或切割部分402)，以沿著所述部分402的長度產生拋光邊緣408(圖4c)。
圖5a-5c示出了用于拋光從硬質電介質材料切割的切割部分502的斜切邊緣503的另一方法。在該示例中，斜切邊緣503相對于切割部分502的表面506形成一角度。當首先通過用成一定角度的光束進行切割來從硬質電介質材料切割切割部分502時，可以形成斜切邊緣503。斜切邊緣503也可以是在以下操作之后形成的：首先用直線或垂直切割來切割切割部分502，然后例如通過使用下面描述的斜切操作之一進行斜切。因此，斜切邊緣503可以包括由于切割引起的邊緣缺陷(未示出)和/或由于斜切操作的粗糙表面(未示出)。激光束521可以是成角度的(例如，示出為約60°的入射角度)，以大致對應于斜切邊緣503的角度，并且位于足以去除和/或修改(例如，通過消融和/或熔化)在斜面邊緣503處的材料的深度505(圖5a和5b)處，使得去除或減少邊緣缺陷和/或表面粗糙度。在一個示例中，材料去除的深度505可以在約10-30微米的范圍內。可以沿著斜切邊緣503掃描成角度的激光束521(例如，通過移動光束521和/或切割部分502)，以沿著所述部分502的長度產生經拋光的斜切邊緣508(圖5c)。
圖6a-6d示出了用于斜切從硬質電介質材料切割的切割部分602的邊緣603的一種方法。在該示例中，垂直于切割部分602的表面606或與切割部分602的表面606相垂直地引導直射激光束621，以通過沿著邊緣603掃描激光束621(例如，通過移動光束621和/或切割部分602)來去除靠近邊緣603的材料層(例如，通過消融)。在去除每層材料之后，切割部分602遠離光束621移動，使得激光束621將靠近邊緣603的材料去除更大深度，從而使激光器銑削切割部分以形成斜切邊緣608。斜切邊緣608可以具有表面粗糙度，其可以如上所述地通過激光拋光所述斜切邊緣608來去除表面粗糙度。
圖7a-7d示出了用于斜切從硬質電介質材料切割的切割部分702的邊緣703的另一方法。在該示例中，通過沿著邊緣703掃描成角度的激光束721(例如，通過移動光束721和/或切割部分702)，將成角度的激光束721(例如，示出為約45°的入射角)用來去除靠近邊緣703的成角度的材料層(例如，通過消融)。在去除每個成角度的材料層之后，朝著成角度的激光束721移動切割部分702，使得成角度的激光束721將在邊緣703處的材料去除更大深度，從而激光銑削所述切割部分以形成斜切邊緣708。
圖8a和8b示出了用于斜切從硬質電介質材料切割的切割部分802的邊緣803的另一方法。在該示例中，以相對于切割部分802的表面806的一定角度引導成角度的激光束821，并所述沿著邊緣803掃描(例如，通過移動光束821和/或切割部分802)所述激光束821，以將所述邊緣803移離斜切邊緣808。
盡管上述用于斜切和拋光的技術通常涉及相對于被斜切或拋光的邊緣成固定角度的激光束，但是可以使用各種機械加工策略來控制所述激光束的角度。例如，可以控制激光束的角度，以不同的角度斜切平直的斜面。也可以控制成角度的激光束相對于該部分的取向，以在一定角度范圍內改變切割角，從而如下所述地斜切圓角斜面。
圖9a-9c示出了通過改變成角度的激光束相對于切割部分902的邊緣的取向來改變切割角β的一種方式。成角度的激光束921a、921b(在圖9a中示出為沿著與不同邊緣903a、903b對準的兩個不同取向)相對于切割部分902的表面906(即，在包含所述激光束并垂直于表面906的平面中)形成角度α。切割角β是當成角度的激光束相對于該部分902移動時，切割邊緣表面相對于所述部分的表面906的角度(參見圖9b)。通過改變成角度的激光束921a、921b相對于切割部分902的邊緣903a、903b的取向，可以在激光角度α保持相同的同時改變切割角β。
在該示例中，成角度的激光束921a、921b的取向的變化與相對于部件902的定位是協調的，以產生不同的切割角。在成角度的激光束921a如圖所示地與x軸(以及邊緣903a)相對準的情況下，當沿著x軸掃描所述成角度的激光束921a時，成角度的激光束921a將加工在所述部分902的邊緣903a中的垂直側壁(即，90°的切割角β)，并且當沿著y軸掃描所述成角度的激光束921a時，將加工在所述部分902的邊緣903b中成角度的側壁或斜面(即，切割角β等于激光角度α)。在成角度的激光束921b如圖所示地與y軸(以及邊緣903b)相對準的情況下，當沿著y軸掃描所述成角度的激光束921b時，成角度的激光束921b將加工在所述部分902的邊緣903b中的垂直側壁，并且當沿著x軸掃描所述成角度的激光束921b時，將加工在所述部分902的邊緣903a中成角度的側壁或斜面。
可以通過旋轉成角度的激光束和/或通過旋轉所述部分，來相對于所述部分902改變成角度的激光束921a、921b的取向或對準，這導致成角度的激光束921a、921b相對于所述部分902的邊緣903a、903b呈現不同的切割角β。例如，當以等于激光角度α的切割角β來斜切矩形部分902時，可以沿著y軸掃描與x軸對準的成角度的激光束921a，以在一個邊緣903b上形成垂直斜面，然后可以將所述部分和/或光束旋轉90°，使得可以沿著x軸掃描與y軸對準的成角度的激光束921b，以在相鄰邊緣903a上形成垂直斜面。
如圖9b所示，可以通過改變成角度的激光束相對于部分902的取向(例如，通過旋轉成角度的激光束和/或通過旋轉所述部分)，來在90°(在與掃描軸相對準的情況下)和激光角度α(在與掃描軸垂直的情況下)之間的角度范圍內改變切割角β。圖9b示出了與x軸相對準的成角度的激光束921a(即，切割角β為90°)、與y軸對準的成角度的激光束921b(即，切割角β等于激光角度α)以及處于中間對準位置的成角度的激光束921c(即，切割角β在90°和激光角度α之間)。可以通過沿多個軸線的協調運動來移動所述部分902，以改變成角度的激光束相對于所述部分902的取向，并因此在該角度范圍內改變切割角β。雖然成角度的光束921c僅示出在一個中間對準位置，但是可以將成角度的光束921c移動到與切割角范圍內的不同切割角相對應的多個中間對準位置。因此，可以以不同的取向沿著邊緣903b掃描成角度的激光束921a-921c，使得所述成角度的激光束沿著邊緣903b提供一定范圍的切割角，以形成圓角斜面908，如圖9c所示。
圖10a和10b示出了用于改變激光束1021相對于切割部分1002的切割角的另一方法。在該示例中，以0°的入射角(例如，相對于水平面成90°)引導激光束1021，且將切割部分1002移動離開水平面以改變激光束1021相對于所述部分1002的角度，從而改變切割角。可以移動切割部分1002，以提供一定范圍的切割角，并且可以沿著邊緣1003掃描激光器1021，以便在多個切割角處進行斜切以形成圓角斜面1008。
參考圖11a和11b，成角度的激光束1121也可以用于斜切圓形部件1102。成角度的激光束相對于圓形部件1102的表面1106形成角度α，但是可以通過改變圓形部件1102相對于成角度的激光束1121的取向來在不改變角度α的情況下改變切割角。在成角度的激光束1121與圓形部件1102的半徑(圖11a)對準的情況下，例如，成角度的激光束1121將以對應于角度α的切割角切割斜切邊緣。在成角度的光束1121以相對于半徑的光束角度σ移動到不同位置的情況下，成角度的光束1121將以大于角度α的某個切割角來切割斜切邊緣。當成角度的光束1121a的波束角為90°時，成角度的波束1121a切割垂直于所述部分1102的表面1106的邊緣1103(即，切割角為90°)。因此，可以改變圓形部件1102的取向以改變成角度的激光束1121的對準，從而改變切割角。
如圖12a和12b所示，可以通過沿多個軸線的協調運動來移動圓形部件1102，以斜切所述部件的圓形邊緣1103。在一個示例中，可以通過在x和y方向上移動移動臺，同時也以相等和相反的角速度旋轉θ軸，來以大致圓周運動(如箭頭1101所示)移動圓形部件1102。圖12a示出了與半徑對準以提供與角度α相對應的切割角的成角度的光束1121(即，光束角度為0°)。圖12b示出了與半徑偏移(即，光束角為σ)以提供大于角度α的切割角的成角度的光束1121。如圖13所示，圓形部件的取向可以在光束角度(被稱為夾角)的范圍內改變，使得在切割角的范圍內切割圓形部件，例如以提供圓角斜面。圖14示出了具有平直斜切邊緣的圓形部件，且圖15示出了具有圓角斜切邊緣的圓形部件。
因此，本文所述的激光加工系統和方法能夠以時間高效和成本高效的方式以增加的速度對硬質電介質材料進行高效激光切割同時還減少邊緣缺陷。雖然示例實施例描述了對切割部分的切割后加工，但是可以在任何部件的邊緣上使用本文所述的用于斜切和拋光的方法。
盡管本文描述了本發明的原理，然而本領域技術人員應理解這種描述僅是示例性地，而不是為了限制本公開的范圍。除了本文所示和所述的示例性實施例之外，其他實施例也包括在本發明的范圍內。本領域技術人員可以在本發明的范圍內進行各種修改和替換，其中通過所附權利要求來限定本發明的范圍。
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