使用衍射三维光束整形的创新玻璃激光切割技术

皮秒激光切割玻璃技术取代了传统的激光玻璃切割技术，例如在工业应用中的金刚石盘或CO2激光玻璃切割，在本文中探讨了各种皮秒激光玻璃切割中的技术，包括有各种集成厂商致力开发的新技术，以提供定制化的应用效果。Holo/or的许多客户都希望通过使用我们的DOE在玻璃内部生成定制的3D强度分布来提高切割速度并减少后续处理步骤。我们首先讨论了皮秒激光玻璃切割工艺的物理特性，然后回顾了此类工艺中使用的几种激光切割技术，以及这些技术中使用的3D光束整形光学器件。

皮秒激光玻璃切割技术

激光玻璃切割技术可分为三大类：直切、斜面/边缘和组合切割。

直切激光玻璃切割相对简单——切割垂直于玻璃表面，从而产生直角直切。出于安全和耐用性的原因，这种玻璃通常需要经过其他后处理阶段，例如机械边缘研磨以形成斜面。这种切割可以通过简单的光束整形（如贝塞尔光束生成）单次完成。Holo/or的DeepCleave改进贝塞尔光束在玻璃中提供了理想的能量分布，增强了直线切割的单通道激光玻璃切割。

斜角或边缘激光玻璃切割更具挑战性，需要将激光能量沿对角线分布到玻璃中，以在玻璃顶部或底部形成斜角。Holo/or开发了3D衍射光束整形光学器件，也就是三维光束整形，能够在任何所需角度生成这样的焦点线，能够进行这种斜面切割。这种类型的激光玻璃切割技术具有挑战性，因为对角线需要与玻璃侧面处于精确位置，并且必须使用具有足够大视场的高数值孔径光学器件才能使线保持对焦。这种光学器件很少是现成的，通常需要根据具体情况进行开发。

组合切割是最具挑战性的激光切割技术。在这种情况下，激光器应同时执行主切割以及顶部和底部斜面，只需一次通过。这通常是通过将光束提前三维光束整形为具有“C”形或梯形的连续线来完成的。

背景：皮秒激光切割玻璃—机理与要求

激光玻璃切割的需求在许多不同的行业中不断增长，从倾向于使用专用薄玻璃的手机和显示器到造船和结构玻璃切割，其中需要厚玻璃部件以获得更大的强度。红外UPS激光器已成为此类激光玻璃切割工艺的首选方法，可实现高速直线轮廓的精确切割。实现皮秒激光玻璃的机制是基于激光能量以非常高的能量密度非线性吸收到通常透明且几乎没有吸收的材料中。较短的脉冲时间在玻璃内部产生极高的局部能量密度，导致玻璃的非线性吸收、击穿和等离子体增强效应。这种等离子体灯丝在激光能量密度足够高的特定的局部区域在玻璃中产生内应力。然后，这种应力会导致激光加工线的劈裂，形成光滑、干净的接缝通常需要施加加工后热应力或机械应力。由于皮秒激光切割工艺的非线性性质和激光功率限制，受影响区域的横截面积通常具有1-5um的窄直径，而焦深必须覆盖整个玻璃厚度。根据应用的不同，其范围从0.2毫米到20毫米不等，这对单次玻璃切割构成了重大挑战。使用高斯光束切割需要多次通过，因为它们无法聚焦到足够紧密的点，同时具有覆盖整个玻璃厚度的大焦深。这是由于瑞利范围的固有局限性，这是光学的基本原理。 因此，需要3D光束整形来实现具有这种扩展焦距范围的贝塞尔光束，或者将焦点分割成跨越玻璃厚度的多个焦点。

为不同的激光切割技术选择正确的光束整形方案

对于直切激光技术，贝塞尔光束发生器（如DeepCleave和Diffractive axicons）是一个很好的整形解决方案，因为它们增加了沿线的焦深，由DeepCleave产生的改进贝塞尔光束沿着切割具有平顶强度剖面，使其在能源效率方面优于基于axicon的解决方案（因此，深度切割为一定的激光能量）。对于其他两种激光玻璃切割技术，结合多焦点DOE和多点分束器的定制衍射光学器件通常是解决方案。另外，可以设计自由曲面解决方案，以一定角度在玻璃中生成连续的线条。所有这些整形解决方案都必须与量身定制的聚焦光学元件相匹配，该光学元件具有足够高的数值孔径和足够的视场，以覆盖整个切割线。

总结

皮秒激光玻璃切割在工业中的应用正在不断增长，针对各种应用开发了许多激光玻璃切割机。激光切割技术持续发展，而正确的光束整形往往是实现最佳切割效果的基本要求。不同类型的光束整形解决方案适用于不同的激光玻璃切割技术，例如，DeepCleave和衍射轴锥镜适用于直线切割，而三维多焦点DOE则适用于曲线切割和倒角切割。

皮秒激光玻璃切割机如何使用皮秒激光切割玻璃？

超短脉冲激光在玻璃中产生非线性吸收，导致玻璃内部形成等离子丝状结构，进而产生高内应力区域，这些区域能够平滑地分离，从而在玻璃上形成高质量、边界清晰的切割。

玻璃加工中有哪些不同的激光切割技术？

玻璃激光切割技术种类繁多，其中最常见的就是直线切割，即垂直于玻璃表面进行切割。更先进的激光玻璃切割技术则采用斜向照明，以生成斜边，或是同时在玻璃顶部和底部生成主直线切割和斜边。

哪些衍射光束整形光学器件适用于哪些激光玻璃切割技术？

DeepCleave适用于直线切割，因为它沿聚焦轴创建一个平坦的顶部轮廓，从而在相同的速度和相同的激光能量下实现更高速的切割和更厚的玻璃切割。3D多焦点DOE和衍射分束器可用于斜面切割和组合切割，因为它们可以在玻璃块中产生任何强度分布。