一種激光快速分離光學(xué)晶體方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光快速分離光學(xué)晶體方法，該方法先利用超快激光或微型金剛石砂輪對光學(xué)晶體進行分離方向設(shè)置，在分離開始端形成一條方向沿待分離路徑的預(yù)制微裂紋；再利用聚焦激光對預(yù)制微裂紋進行掃描加熱，形成激光誘導(dǎo)微裂縫；沿著待分離路徑快速移動聚焦激光，直至激光移動速度與裂縫擴展速度相同，使聚焦激光始終跟隨著微裂縫最前端，并使微裂縫兩側(cè)材料發(fā)生熱膨脹效應(yīng)，在微裂縫尖端產(chǎn)生前向擠壓和側(cè)向拉應(yīng)力，將晶體材料拉開，最終實現(xiàn)晶體高質(zhì)量分離。裝置包括微裂紋預(yù)制機構(gòu)、單焦點激光加工系統(tǒng)和二維工作臺。本發(fā)明可提高光學(xué)晶體分離的速度、精度、加工安全性及質(zhì)量，以實現(xiàn)光學(xué)晶體的無損耗分離和準拋光級光潔度分離表面。
【專利說明】一種激光快速分離光學(xué)晶體方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種激光快速分離光學(xué)晶體的方法和相關(guān)裝置。本發(fā)明能夠利用激光快速并高質(zhì)量地分離加工透明材料，尤其是能安全、快速和高質(zhì)量地分離磷酸二氫鉀(KDP)等光學(xué)晶體。
【背景技術(shù)】
[0002]KDP型晶體是一類重要的多功能晶體材料，二戰(zhàn)期間，KDP被用于制造壓電換能器和聲吶等裝備而成為軍用物資。自20世紀60年代激光技術(shù)出現(xiàn)以后，這類晶體材料由于具有較高的非線性光學(xué)系數(shù)、寬的透光波段以及優(yōu)良的電光、頻率轉(zhuǎn)換性能在光電子【技術(shù)領(lǐng)域】中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近年來隨著慣性約束核聚變(ICF)技術(shù)的興起和ICF在受控?zé)岷朔磻?yīng)、模擬核爆等重大技術(shù)上的前景，使得對KDP型晶體的研究又進入了一個新的階段。因為盡管各種新型的非線性光學(xué)晶體不斷涌現(xiàn)，但縱觀其綜合的性能，尤其是所需的特大尺寸，到目前為止能用于ICF系統(tǒng)的也僅僅只有KDP型晶體。鑒于此型晶體的戰(zhàn)略意義，西方發(fā)達國家禁止出口其大尺寸、高質(zhì)量KDP光學(xué)晶體材料及相關(guān)加工技術(shù)，致使該材料在國際市場上十分緊俏。獲得所需的KDP晶體，是我國自行研制核發(fā)電機組工作的當(dāng)務(wù)之急，隨著核能發(fā)電業(yè)的發(fā)展，此型晶體的需求量將越來越大，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的KDP晶體加工技術(shù)將會帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。
[0003]目前我國在大尺寸KDP生長工藝技術(shù)上已獲得了較大的突破，但在KDP晶體坯體切割分離加工方面，仍然是一個較大的瓶頸問題。國內(nèi)KDP晶體切割主要是采用機械方法——油冷鋸條切割。由于KDP型晶體對生長工藝和生長環(huán)境要求苛刻，生長大尺寸晶體的周期很長、成品率極低，并且具有典型的宏觀對稱性、微觀對稱性以及薄膜對稱性，使得晶體的物理性質(zhì)表現(xiàn)為顯著的各向異性，不同方向的彈性系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、抗拉強度、抗壓強度以及斷裂韌性等均不一致，同時晶體內(nèi)部點陣排列的周期性使得光學(xué)晶體大多表現(xiàn)出質(zhì)軟、高脆性和易解理。這些因素會導(dǎo)致在傳統(tǒng)機械加工切割過程中出現(xiàn)崩邊、微裂紋以及碎裂現(xiàn)象，造成晶體的機械切割成功率極低，更不用說高精度的分離，因此這類晶體被公認為世界最難加工材料之一。此外，光學(xué)晶體生長過程中的雜質(zhì)和錯位會使得晶體內(nèi)部出現(xiàn)晶包或缺陷，其產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變極易使晶體發(fā)生開裂，導(dǎo)致晶體加工過程中受機械應(yīng)力、震動和熱應(yīng)力影響非常大，加工過程緩慢且困難，分離效率極低。同時光學(xué)元器件對加工后晶體表面的質(zhì)量要求非常高，而晶體又多為溶液法生長，對機械加工中的粉塵及泠卻液敏感，極易發(fā)生潮解和污染。
[0004]本 申請人:于2011年02月24日提出了“一種雙激光束分離光學(xué)晶體方法及裝置”的發(fā)明專利申請(專利號為CN102152003A)。該方法將高峰值功率密度、低脈沖能量的第一超快激光束聚焦進光學(xué)晶體內(nèi)部，激光焦點處的晶體材料由于受到極強的光場而產(chǎn)生多光子電離效應(yīng)，使該處的晶體發(fā)生相變、局部熔化和改性，從而大幅提高焦點區(qū)域的光吸收率和降低該區(qū)域的結(jié)合力。利用三維工作臺的移動使第一激光作用區(qū)域形成貫穿整個晶體的預(yù)處理面。再采用低峰值功率、高脈沖能量的第二激光束作用于所述預(yù)處理面上，使光學(xué)晶體分離。
[0005]該方法雖然實現(xiàn)了 KDP晶體的無接觸分離，但必須使用超快激光在晶體內(nèi)形成一個預(yù)處理面，依然存在以下問題:(I)使用超快激光對晶體進行改性對光強控制精度和穩(wěn)定性要求極高，機構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備昂貴。(2)制作一個貫穿分離軌跡的改性面會破壞晶體內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定性，遇到材料晶格缺陷時還會形成爆點，制作過程中時常發(fā)生開裂。(3)貫穿晶體的預(yù)處理面會破壞分離側(cè)壁的粗糙度和材料性能，致使分離后的晶體側(cè)壁必須對預(yù)處理區(qū)域進行拋光去除方可使用。(4)該方法的分離原理為激光加熱材料膨脹之后冷卻而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此其分離速度嚴重受制于材料的冷卻，雖然較傳統(tǒng)機械切割快得多，但速度仍然不能滿足實際需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供的一種激光快速分離光學(xué)晶體方法及其裝置，目的在于進一步提高光學(xué)晶體分離的速度、精度、加工安全性及質(zhì)量，以實現(xiàn)光學(xué)晶體的無損耗分離和準拋光級光潔度的晶體分離表面；本發(fā)明還提供了實現(xiàn)該方法的裝置。
[0007]本發(fā)明提供的一種激光快速分離光學(xué)晶體方法，其特征在于:該方法首先利用超快激光或者采用機械方法對光學(xué)晶體進行分離方向設(shè)置，在分離開始端形成一條沿待分離路徑方向分布的預(yù)制微裂紋；然后利用圓形或者長條型聚焦激光對預(yù)制微裂紋進行掃描加熱，形成一條激光誘導(dǎo)微裂縫；最后，沿著待分離路徑快速移動聚焦激光，直至激光的移動速度與激光誘導(dǎo)微裂縫的擴展速度相同，使聚焦激光始終跟隨著微裂縫最前端，并使微裂縫兩側(cè)材料發(fā)生熱膨脹效應(yīng)，從而在微裂縫尖端產(chǎn)生前向擠壓和側(cè)向拉應(yīng)力，將晶體材料拉開，最終實現(xiàn)晶體高質(zhì)量分離。
[0008]本發(fā)明提供的實現(xiàn)上述激光快速分離光學(xué)晶體方法的裝置，其特征在于，該裝置包括微裂紋預(yù)制機構(gòu)、單焦點激光加工系統(tǒng)和二維工作臺；
[0009]所述二維工作臺用于固定晶體，其四角安裝有能提供拉力的彈簧，二維工作臺表面為氣浮或者分離路徑鏤空；
[0010]微裂紋預(yù)制機構(gòu)用于在待加工光學(xué)晶體上設(shè)置一個分離方向和產(chǎn)生初始微裂紋；
[0011]所述單焦點激光加工系統(tǒng)安裝在二維工作臺上方，用于提供聚焦激光，并在初始微裂紋上掃描，形成一條激光誘導(dǎo)微裂縫及最終實現(xiàn)晶體高質(zhì)量分離。
[0012]本發(fā)明利用激光與晶體材料相互作用無機械接觸、晶體材料對激光具有透明性且呈體吸收、晶體材料抗拉強度差以及晶體材料對熱應(yīng)力敏感等特點，使用激光加熱帶有初始預(yù)制微裂紋的透明材料，從而使預(yù)制微裂紋兩側(cè)的材料發(fā)生熱膨脹效應(yīng)，對微裂紋的最前端產(chǎn)生作用范圍極小而強度極大的前向擠壓和側(cè)向拉應(yīng)力區(qū)域，將晶體材料拉開，瞬間完成光學(xué)晶體的分離，實現(xiàn)在分離光學(xué)晶體過程中無碎裂、分離精度高、可任意方向分離和無污染的目的。因此本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0013]1、由于激光束與光學(xué)晶體相互作用是非接觸性，因而消除了機械方法在切割過程中導(dǎo)致光學(xué)晶體破碎的震動和機械應(yīng)力；
[0014]2、激光分離光學(xué)晶體可以比機械切割分離獲得更精確的分離尺寸；
[0015]3、不受光學(xué)晶體自身各項異性的影響，可進行任意方向的分離；[0016]4、由于激光束分離光學(xué)晶體過程中無粉塵碎屑，也無需油冷卻，消除了分離光學(xué)晶體過程中對光學(xué)晶體表面的污染破壞；
[0017]5、晶體極少需要或無需超快激光改性，設(shè)備簡單，穩(wěn)定、安全性高；分離過程中幾乎無飛秒激光破壞，分離側(cè)壁光潔度高，并保持原有的物理性能；
[0018]6、由于本分離方法采用的是激光誘導(dǎo)裂縫最前端尖峰拉應(yīng)力，可以獲得較高的激光分離速度和分離側(cè)壁質(zhì)量。
[0019]7、本發(fā)明特別適用于KDP光學(xué)晶體的分離。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明提供的激光快速分離光學(xué)晶體裝置的第一種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2本發(fā)明提供的激光快速分離光學(xué)晶體裝置的第二種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]其中，I為普通大功率激光器，2為超快激光器，31為第一擴束鏡，32為第二擴束鏡，41、42分別為第一、第二反射鏡,5為聚焦透鏡，6為激光振鏡6,71、72為第一、第二大尺寸透鏡，8為顯微物鏡，91、92為第一、第二 Z軸移動機構(gòu)，10為第一初始預(yù)制微裂紋，11為固定座，12為彈簧，13為待加工光學(xué)晶體，14為激光誘導(dǎo)微裂縫，15為二維工作臺，16為微型金剛石砂輪，17為伺服電機，18為二維導(dǎo)軌，19為第二初始預(yù)制微裂紋。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0024]本發(fā)明方法中預(yù)制微裂紋的定義為沿待分離路徑方向(X方向)長度大于250 μ m，沿Y方向?qū)挾刃∮讦│苔笑?，深?Ζ方向)貫穿晶體材料一半以上的微裂紋；定義脈沖能量為20nJ至2mJ，脈沖寬度小于50皮秒，峰值功率高于20KW的激光器為超快激光器；定義輸出功率為IOW至1000W，脈沖寬度大于I納秒(ns)的脈沖激光器或連續(xù)激光器為普通大功率激光器；定義邊緣厚度小于100 μ m,直徑小于IOcm的金剛石砂輪為微型金剛石砂輪。
[0025]本發(fā)明提供的激光快速分離光學(xué)晶體方法，其原理為利用光學(xué)晶體抗拉強度低的特點，在激光加熱微裂縫時，使微裂縫兩側(cè)材料發(fā)生熱膨脹效應(yīng)，從而在微裂縫尖端產(chǎn)生作用范圍極小而強度極大的如向擠壓和側(cè)向拉應(yīng)力，將晶體材料拉開，最終實現(xiàn)晶體聞質(zhì)量分離。
[0026]首先，對光學(xué)晶體進行分離方向設(shè)置，在分離開始端形成一條極細的，沿待分離路徑分布的預(yù)制微裂紋；其次，利用圓形或者長條型聚焦激光對預(yù)制微裂紋進行掃描加熱，形成一條激光誘導(dǎo)微裂縫；最后，沿著設(shè)置的分離路徑快速移動聚焦激光，直至激光的移動速度與激光誘導(dǎo)微裂縫擴展速度相同，使聚焦激光始終跟隨著裂縫最前端，從而保證裂縫高速擴展，實現(xiàn)晶體的聞速、聞質(zhì)量分尚。
[0027]實現(xiàn)所述方法的裝置包括一個分離方向設(shè)置的微裂紋預(yù)制機構(gòu)、一個單焦點激光加工系統(tǒng)和一個二維工作臺15。[0028]單焦點激光加工系統(tǒng)安裝在二維工作臺15上方，它依次包括位于一條光路上的普通大功率激光器1、第一擴束鏡31、第一反射鏡41、聚焦透鏡5和第一 Z軸移動機構(gòu)91。其中第一擴束鏡31可以是柱面擴束鏡或者球面擴束鏡。聚焦透鏡5固定在第一 Z軸移動機構(gòu)91上，通過改變聚焦透鏡5的位置，可以改變激光焦點伸入晶體內(nèi)的深度。
[0029]二維工作臺15用于固定晶體，平臺四角通過固定座11安裝有能提供一定拉力(< IKg)的彈簧12。平臺表面為氣浮或者分離路徑鏤空，從而隔離平臺吸收激光生熱對待加工光學(xué)晶體的影響。
[0030]微裂紋預(yù)制機構(gòu)用于在待加工光學(xué)晶體上設(shè)置一個分離方向和產(chǎn)生初始微裂紋，通常設(shè)置在二維工作臺15的一側(cè)，其具體實現(xiàn)可以采用兩種方式，即第一至第二微裂紋預(yù)制機構(gòu)。
[0031]第一微裂紋預(yù)制機構(gòu)的原理是利用光學(xué)晶體對0.2?2.5 μ m波長范圍內(nèi)吸收率較低(10%以下)和超快激光具有高峰值功率、低能量的特點，將激光束聚焦在光學(xué)晶體內(nèi)部某一點，使該點處激光功率密度遠高于光學(xué)晶體的損傷閾值，誘發(fā)多光子電離而產(chǎn)生大量的“電子氣體”，引起強烈的激光的非線性吸收，從而實現(xiàn)對光學(xué)晶體的冷加工，形成一條極窄的預(yù)制微裂紋。
[0032]如圖1所示，第一微裂紋預(yù)制機構(gòu)利用超快飛秒激光的冷加工機理實現(xiàn)對光學(xué)晶體的分離方向設(shè)置，特別適合在對分離質(zhì)量要求非常高的場合。該微裂紋預(yù)制機構(gòu)包括依次位于另一條光路上的超快激光器2、第二反射鏡42、第二擴束鏡32、激光振鏡6,第一、第二大尺寸透鏡71、72，顯微聚焦物鏡8和第二 Z軸移動機構(gòu)92。其中激光振鏡6，第一、第二大尺寸透鏡71、72以及顯微聚焦物鏡8依次排列固定于第二 Z軸移動機構(gòu)92上。超快激光經(jīng)過激光振鏡6和第一、第二大尺寸透鏡71、72進入顯微聚焦物鏡8，聚焦后在晶體內(nèi)部形成一個能量密度極高的區(qū)域，從而實現(xiàn)晶體材料在微米或納米尺度的微去除。通過激光振鏡6和第二 Z軸移動機構(gòu)92的共同作用，可以在晶體內(nèi)形成微米級的預(yù)制微裂紋。同時，加工過程中產(chǎn)生的等離子氣體會在裂紋的側(cè)壁附著，改變晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力分布，從而顯著提高后續(xù)單焦點激光加工系統(tǒng)的初始分離效率和分離方位精度。
[0033]圖1所示裝置的具體實現(xiàn)過程包括以下步驟:
[0034](I)調(diào)節(jié)顯微聚焦物鏡8的位置，將超快激光從光學(xué)晶體的側(cè)面聚焦進光學(xué)晶體內(nèi)部，在激光焦點處，光學(xué)晶體會因為超強的電場引發(fā)多光子電離吸收和碰撞電離吸收，形成納米或微米尺度的燒蝕。
[0035]光學(xué)晶體的燒蝕是指激光焦點區(qū)域的晶體吸收激光能量后形成粉末、等離子氣體或相變點脫離母材。
[0036](2)啟動激光振鏡6，使晶體內(nèi)的超快激光焦點沿Z方向掃描，晶體內(nèi)的燒蝕點將連成燒蝕線。再利用二維工作臺15的X軸移動光學(xué)晶體，使燒蝕線由內(nèi)向外形成燒蝕面，最終在晶體內(nèi)形成一條預(yù)制微裂紋10。
[0037]振鏡掃描速度和Z軸移動速度取決于超快激光的峰值功率，通常小于0.3m/s ;通常微刻縫的長度和深度均大于1mm。
[0038](3)調(diào)節(jié)聚焦透鏡5的位置，將普通大功率激光聚焦于預(yù)制微裂紋10的上方或者下方，并沿著微裂紋X方向進行來回掃描，直至微裂紋前端形成了新裂縫。
[0039]新裂縫形成的判定是出現(xiàn)了沿分離方向的新裂紋，通常裂紋長度小于lcm(X方向)，深度貫穿整個晶體。
[0040](4)沿待分離路徑速移動單焦點激光加工系統(tǒng)，使新裂縫最前端始終位于激光焦點前方一定距離D以內(nèi)，直至整個晶體分離。D的取值與晶體材料的厚度及表面參數(shù)有關(guān)，從10微米到I厘米不等。單焦點激光加工系統(tǒng)的移動速度與普通大功率激光的功率有關(guān)，通常大于100 μ m/s。
[0041]圖1所示裝置與CN102152003A在形態(tài)上有一些類似，但卻有著本質(zhì)的區(qū)別，為兩種截然不同的方法，下面簡單闡明其區(qū)別:
[0042]本申請與CN102152003A的分離原理有著本質(zhì)的區(qū)別。CN102152003A中的方法是利用高峰值功率、低脈沖能量的第一激光束在晶體內(nèi)形成光損傷線和面，其本質(zhì)并未對此區(qū)域的材料進行去除，而僅僅是對相關(guān)區(qū)域進行改性。而本發(fā)明中強調(diào)，必需利用超快激光對材料進行微去除，形成一個貫穿材料厚度的預(yù)制微裂紋，所以其作用方式有著本質(zhì)的區(qū)另O。其次，CN102152003A第一激光束形成的改性面的作用是增加特定區(qū)域的吸收率，降低其結(jié)合力，從而引導(dǎo)第二激光進行分離。而本發(fā)明中超快激光的作用是預(yù)制微裂紋，從而起到誘導(dǎo)初始裂縫生成的作用，二者分離原理有著本質(zhì)的區(qū)別。
[0043]CN102152003A中必需先采用第一激光束形成損傷面，再使用第二激光束沿損傷面進行分離，因而第一激光束的作用區(qū)域必需覆蓋整個加工軌跡；而本發(fā)明僅需使用超快激光沿分離路徑加工一小段(約l_2mm)的距離即可，并不需要覆蓋整個軌跡，并且超快激光只在加工初期被使用，激光誘導(dǎo)微裂縫形成后，只需使用普通大功率激光即可，無需使用雙激光束。
[0044]本發(fā)明提供的裝置與CN102152003A中提供的裝置區(qū)別在于:本發(fā)明利用超快激光使用顯微聚焦物鏡8與激光振鏡6結(jié)合，以掃描的方式進行加工。而CN102152003A中使用聚焦透鏡以點聚焦的形式進行加工，后者加工速度和精度遠不如前者。其次，本裝置需使用彈簧機構(gòu)，超快激光與普通激光可不在一個軌跡上單獨安置，加工平臺為氣浮或者分離路徑鏤空以隔絕激光加工平臺產(chǎn)生的熱效應(yīng)，與CN102152003A提供的裝置有明顯區(qū)別。
[0045]第二微裂紋預(yù)制機構(gòu)的原理是利用微型金剛石砂輪16在晶體側(cè)壁劃出一條極窄的磨縫，形成預(yù)制裂紋。由于磨縫側(cè)壁磨糙，可顯著提高激光吸收率和改變后續(xù)激光掃描的熱量分布。普通大功率激光加熱磨縫后將會形成具有固定方向的微裂紋。
[0046]如圖2所示，第二微裂紋預(yù)制機構(gòu)利用微型金剛石切割砂輪和普通大功率激光實現(xiàn)對光學(xué)晶體的分離方向設(shè)置，適合于對部分區(qū)域分離質(zhì)量要求不高的場合。該微裂紋預(yù)制機構(gòu)包含一個二維導(dǎo)軌平臺18 (導(dǎo)軌活動方向為Z方向和Y方向)、一個伺服電機17以及微型金剛石砂輪16。伺服電機17固定于二維導(dǎo)軌平臺18之上，金剛石砂輪16以垂直于電機軸的方向安置于電機軸之上。伺服電機17帶動金剛石砂輪16高速轉(zhuǎn)動,并隨著導(dǎo)軌Z軸方向輕微移動，在晶體側(cè)壁形成一條微小的磨縫，同時金剛石砂輪16將磨縫各側(cè)壁的晶體磨糙，增加晶體內(nèi)部分區(qū)域的光吸收率。后續(xù)單焦點激光加熱磨縫后會形成方向沿分離路徑的微米級預(yù)制微裂紋，從而完成光學(xué)晶體的分離方向設(shè)置。
[0047]圖2所示裝置的具體實現(xiàn)過程包括以下步驟:
[0048](I)開啟伺服電機，使微型金剛石砂輪高速旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速通常大于100轉(zhuǎn)/min)，并沿著二維導(dǎo)軌移動伺服電機至微型金剛石砂輪與光學(xué)晶體材料剛好接觸。
[0049](2)上下移動伺服電機，至整個晶體被金剛石砂輪磨出一條細縫。移動速度通常大于 100 μ m/s。
[0050](3)沿X方向移動KDP晶體，移動給進距離通常小于1mm。
[0051](4)重復(fù)步驟(2)、(3)直至晶體被磨出一條長度大于100 μ m(X方向)，深度(Z方向)貫穿整個晶體的微磨縫。
[0052](5)調(diào)節(jié)聚焦透鏡5的位置，將普通大功率激光聚焦于微磨縫處上方或者下方，直至微磨縫前段形成了沿分離路徑的微米級微裂紋19。
[0053]微裂紋形成的判定是出現(xiàn)了沿分離方向的裂紋，通常裂紋長度小于lcm，深度大于5mm ο
[0054](6)將普通大功率激光聚焦于誘導(dǎo)微裂紋19的上方或者下方，并沿著微裂紋X方向進行來回掃描，直至微裂紋前端形成了新裂縫。
[0055](7)沿待分離路徑快速移動單焦點激光加工系統(tǒng)，使新裂縫前端始終位于激光焦點前方一定距離D以內(nèi)，直至整個晶體分離。D的取值與晶體材料的厚度及表面參數(shù)有關(guān)，從10微米到I厘米不等。單焦點激光加工系統(tǒng)的移動速度與普通大功率激光的功率有關(guān)，通常大于100 μ m/s。
[0056]注:也可改變⑵、(3)兩步的順序。
[0057]實例:
[0058]實例I
[0059]本發(fā)明采用脈沖寬度為518fs，波長為1030nm、最大單脈沖能量為200 μ J的飛秒激光器作為超快激光器，德國IPG公司的YLP-50型號CW光纖激光器作為普通大功率激光器，其最高輸出平均功率為50W。超快激光的聚焦光斑直徑小于5 μ m，大功率普通激光的光斑直徑約為50 μ m,分離光學(xué)晶體為KDP晶體，式樣長度為100mm，厚度為12mm。實驗方法:采用第一激光快速分離光學(xué)晶體方法，調(diào)節(jié)超快激光的單脈沖能量為200 μ J，超快激光掃描速度為50mm/s，普通大功率激光的輸出功率為30W，掃描速度為400μπιΛ，移動速度為2mm/s。實驗結(jié)果:光學(xué)晶體沿分離軌跡分離，分離側(cè)壁光滑平整，表面粗糙度(Ra)小于
0.2 μ m，為準拋光級，分離過程中無任何微裂紋產(chǎn)生。
[0060]實例2
[0061]本發(fā)明采用最大轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/min的伺服電機，電機沿Z軸導(dǎo)軌的移動速度為lmm/s,電機沿X軸的移動給進距離為10 μ m。微型金剛石砂輪的直徑為20mm,砂輪最外圈的厚度為100 μ m。采用德國IPG公司的YLR-50系列脈沖光纖激光器作為普通大功率激光器，輸出波長為1070nm，最高平均輸出功率50W，最大單脈沖能量為lmj。普通大功率激光的聚焦光斑尺寸為30 μ m，分離光學(xué)晶體為KDP晶體，試樣長度為200mm，厚度為11.8mm。試驗方法:采用第二激光快速分離光學(xué)晶體方法。調(diào)節(jié)伺服電機的轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/min，光纖激光器輸出功率為10W，脈沖能量為lmj，掃描速度為200 μ m/s，移動速度為lmm/s。實驗結(jié)果:光學(xué)晶體沿分離軌跡分離，分離側(cè)壁光滑平整，表面粗糙度(Ra)小于lym，為準拋光級，分離過程中無任何微裂紋產(chǎn)生。
[0062]實例3
[0063]本發(fā)明采用最大轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/min的伺服電機，電機沿Z軸導(dǎo)軌的移動速度為ΙΟΟμπι/s,電機沿X軸的移動給進距離為30 μ m。微型金剛石砂輪的直徑為IOcm,砂輪最外圈的厚度為ΙΟΟμπι。采用某國產(chǎn)50W綠光激光器作為普通大功率激光器。普通大功率激光的聚焦光斑尺寸為20 μ m,分離光學(xué)晶體為KDP晶體，試樣長度為400mm，厚度為30mm。試驗方法:采用第二激光快速分離光學(xué)晶體方法。調(diào)節(jié)伺服電機的轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/min，激光器輸出功率為40W，脈沖能量為lmj，掃描速度為400 μ m/s,移動速度為4mm/s。實驗結(jié)果:光學(xué)晶體沿分離軌跡分離，分離側(cè)壁光滑平整，表面粗糙度(Ra)小于0.8 μ m，分離過程中無任何微裂紋產(chǎn)生。
[0064]本方法也同樣可以用于分離其它的光學(xué)晶體，如酸鋰(LiNb03_LN)、磷酸二氘鉀(KD2P04-DKDP)、碘酸鋰(Li103_LI)、磷酸氧鈦鉀(KTi0P04_KTP)、偏硼酸鋇(BaB204-BB0)、三硼酸鋰(LiB305_LB0)、鈮酸鉀(KNb03_KN)、硼酸銫(CSB305-CB0)、硼酸銫鋰(LiCSB6010-CLB0)、氟硼酸鉀鈹(KBe2B03F2_KBBF)以及硫銀鎵(AgGaS2_AGS)、砷鎘鍺(CdGeAs-CGA)、磷鍺鋅(ZnGeP2_ZGP)等非線性光學(xué)光學(xué)晶體。
[0065]以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種激光快速分離光學(xué)晶體方法，其特征在于:該方法首先利用超快激光對光學(xué)晶體進行分離方向設(shè)置，在分離開始端形成一條沿待分離路徑方向分布的預(yù)制微裂紋；然后利用圓形或者長條型聚焦激光對預(yù)制微裂紋進行掃描加熱，形成一條激光誘導(dǎo)微裂縫；最后，沿著待分離路徑快速移動聚焦激光，直至激光的移動速度與激光誘導(dǎo)微裂縫擴展速度相同，使聚焦激光始終跟隨著微裂縫最前端，并使微裂縫兩側(cè)材料發(fā)生熱膨脹效應(yīng)，從而在微裂縫尖端產(chǎn)生前向擠壓和側(cè)向拉應(yīng)力，將晶體材料拉開，最終實現(xiàn)晶體高質(zhì)量分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光快速分離光學(xué)晶體方法，其特征在于，所述預(yù)制微裂紋的定義為寬度小于100 μ m,長度大于250 μ m,深度貫穿晶體材料一半以上的人工預(yù)制裂紋。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述激光快速分離光學(xué)晶體方法的裝置，其特征在于，該裝置包括微裂紋預(yù)制機構(gòu)、單焦點激光加工系統(tǒng)和二維工作臺； 所述二維工作臺用于固定晶體，其四角安裝有能提供拉力的彈簧，二維工作臺表面為氣浮或者分離路徑鏤空； 微裂紋預(yù)制機構(gòu)用于在待加工光學(xué)晶體上設(shè)置一個分離方向和產(chǎn)生初始微裂紋； 所述單焦點激光加工系統(tǒng)安裝在所述二維工作臺上方，用于提供聚焦激光，并對初始微裂紋上形成一條激光微裂縫及最終實現(xiàn)晶體高質(zhì)量分離。
4.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述激光快速分離光學(xué)晶體方法的裝置，其特征在于，所述微裂紋預(yù)制機構(gòu)包括依次位于一條光路上的超快激光器、第二反射鏡、第二擴束鏡、激光振鏡，第一、第二大尺寸透鏡，顯微聚焦物鏡和第二 Z軸移動機構(gòu)；其中激光振鏡,第一、第二大尺寸透鏡以及顯微聚焦物鏡依次排列固定于第二Z軸移動機構(gòu)上；工作時，超快激光經(jīng)過激光振鏡和第一、第二大尺寸透鏡進入顯微聚焦物鏡，聚焦后在晶體內(nèi)部形成一個能量密度極高的區(qū)域，從而實現(xiàn)晶體材料在微米或納米尺度的微去除；通過激光振鏡和第二 Z軸移動機構(gòu)的共同作用，在晶體內(nèi)形成微米級的微裂紋；加工過程中產(chǎn)生的等離子氣體在裂紋的側(cè)壁附著，改變晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力分布，實現(xiàn)高精度分離。
5.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述激光快速分離光學(xué)晶體方法的裝置，其特征在于，所述微裂紋預(yù)制機構(gòu)包括一個二維導(dǎo)軌平臺、一個伺服電機以及微型金剛石砂輪；伺服電機固定于二維導(dǎo)軌平臺之上，金剛石砂輪以垂直于電機軸的方向安置于電機軸之上；伺服電機用于帶動金剛石砂輪高速轉(zhuǎn)動，并隨著導(dǎo)軌Z軸方向輕微移動，在晶體側(cè)壁形成一條微小的磨縫，同時金剛石砂輪將磨縫各側(cè)壁的晶體磨糙，增加晶體內(nèi)部分區(qū)域的光吸收率；后續(xù)單焦點激光加熱磨縫后會形成方向沿分離路徑的微米級微裂紋，從而完成光學(xué)晶體的分離方向設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5所述裝置，其特征在于，所述單焦點激光加工系統(tǒng)包括依次位于一條光路上的普通大功率激光器、第一擴束鏡、第一反射鏡、聚焦透鏡和第一 Z軸移動機構(gòu)；聚焦透鏡固定在第一 Z軸移動機構(gòu)上，通過改變聚焦透鏡的位置，能夠改變激光焦點伸入晶體內(nèi)的深度。
7.一種利用權(quán)利要求5所述裝置進行晶體分離的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (al)調(diào)節(jié)顯微聚焦物鏡的位置，將超快激光從光學(xué)晶體的側(cè)面聚焦進光學(xué)晶體內(nèi)部，在激光焦點處，光學(xué)晶體因為超強的電場引發(fā)多光子電離吸收和碰撞電離吸收，形成納米或微米尺度的燒蝕；(a2)啟動激光振鏡，使晶體內(nèi)的超快激光焦點沿Z方向掃描，晶體內(nèi)的燒蝕點將連成燒蝕線；再利用二維工作臺的X軸移動光學(xué)晶體，使燒蝕線由內(nèi)向外形成燒蝕面，最終在晶體內(nèi)形成一條預(yù)制微裂紋； (a3)調(diào)節(jié)聚焦透鏡的位置，將普通大功率激光聚焦于預(yù)制微裂紋上方或者下方，并沿著微裂紋X方向進行來回掃描，直至微裂紋前端形成了新裂縫； (a4)沿待分離路徑快速移動單焦點激光加工系統(tǒng)，使新裂縫最前端始終位于激光焦點前方一定距離以內(nèi)，直至整個晶體分離。
8.一種利用權(quán)利要求5所述裝置進行晶體分離的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (bl)開啟伺服電機，使微型金剛石砂輪高速旋轉(zhuǎn)，并沿著二維導(dǎo)軌移動伺服電機至微型金剛石砂輪與光學(xué)晶體材料剛好接觸； (b2)上下移動伺服電機，至整個晶體被金剛石砂輪磨出一條細縫； (b3)沿X方向移動晶體，移動給進距離小于Imm; (b4)重復(fù)步驟(b2)、(b3)直至晶體被磨出一條長度大于100 μ m，深度貫穿整個晶體的微磨縫； (b5)調(diào)節(jié)聚焦透鏡的位置，將普通大功率激光聚焦于微磨縫處上方或者下方，直至微磨縫前段形成了沿分離路徑的微米級預(yù)制微裂紋； (b6)將普通大功率激光聚焦于預(yù)制微裂紋上方或者下方，并沿著微裂紋X方向進行來回掃描，直至微裂紋前端形 成了新裂縫； (b7)沿待分離路徑快速移動單焦點激光加工系統(tǒng)，使新裂縫前端始終位于激光焦點前方一定距離以內(nèi)，直至整個晶體分離； 其中，步驟(b2)、(b3)能夠互換。
【文檔編號】B23K26/00GK103831527SQ201410071645
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】段軍, 鄧磊敏, 曾曉雁 申請人:華中科技大學(xué)