江苏龙网

  1. 首页 > 资讯 > 科技 > >

光电汇@如何搭建一个CO2激光抛光玻璃系统？


激光加工技术是利用激光高能量的特性 ， 通过光子与材料的相互作用 ， 以实现材料改性、去除等性能要求 。 自大功率激光器件出现以后 ， 激光加工技术形成了激光切割、激光打孔、激光标记、激光刻槽与表面改性等多种应用工艺 ， 在电子、材料、机械、艺术设计等领域得到广泛的应用 。
目前 ， 透明晶体材料 ， 诸如石英晶体、光学晶体、功能性晶体及相应非晶态物质如石英玻璃、光学玻璃等难加工材料 ， 由于其脆硬性的特点 ， 采用常规机械加工或化学加工工艺对其进行表面处理、切割与打孔等 ， 易产生裂纹破损 ， 加工效率低 。 而激光加工技术能利用材料对高能激光束的直接吸收进行加工 ， 在加工过程中刀具无磨损、材料无污染 ， 具有高效率、高精度、非接触加工、热影响小等特点 。
在透明晶体材料加工中 ， 激光波长范围为9-11 μm的CO2激光器 ， 由于其波长特性 ， 无法通过光纤进行传导 ， 光路的传导只能使用传统的镜片组；同时 ， CO2激光器对透明晶体的穿透性较差 ， 故无法将光束聚焦于晶体内部进行精密加工 。 因此 ， CO2激光器运用于晶体材料主要是表面加工 ， 如激光切割、激光钻孔、激光表面雕刻等工艺 。
同时 ， 由于CO2激光器所发射的激光处于红外波段 ， 处于常见透明材料的吸收窗口波段内 ， 且CO2激光器的光束质量因子较好（M2＜1.2) 。 在加工过程中 ， 几乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收层被吸收并迅速转化为热能 ， 故CO2激光器对透明晶体及玻璃等脆硬性材料具有很好的加工效率 。
此外 ， CO2激光器作用于晶体材料时存在较高的热效应 ， 且产生的热应力作用于激光入射表面 ， 这是由于晶体材料对红外波长的激光吸收率较高所致 。 因而 ， 对于透明晶体与玻璃在使用CO2激光器加工时 ， 其工艺性能要求较高 ， 需合理地制定峰值功率、脉宽等加工参数 ， 有效防止材料在加工过程中因吸收过多热量导致热应力碎裂 。
在此方案中 ， 我们通过在运动平移台上加入一个加热设备 ， 加热宽带隙硬脆材料 ， 提高宽带隙硬脆材料内部的载流子浓度 ， 使其受热更加均匀 ， 减少了库伦爆炸的发生 ， 可以有效防止材料在加工过程中因吸收过多热量导致热应力裂纹与碎裂的情况出现 。
在加工光路中 ， 利用扩束镜和DOE光束整形对激光进行扩束和整形 ， 不仅可以将高斯光束整形成平顶光束 ， 均匀能量 ， 而且还可以增大单次加工面积 ， 提高加工效率 。 同时 ， 在光路中加入成像系统 ， 可以实时观测样品加工效果 ， 及时获得加工反馈并调整加工参数 。 在此设计光路中 ， 我们可以解决热应力碎裂和加工效率低等问题 ， 推动CO2激光抛光透明晶体与玻璃表面工艺在工业领域的应用 。
光路实验系统
在CO2激光器对玻璃的加工过程中 ， 由于CO2激光器发射的激光处于红外波段 ， 对透明晶体及玻璃的穿透能力差 ， 几乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收层被吸收并迅速转化为热能 ， 故CO2激光器对透明晶体及玻璃等脆硬性材料的表面加工具有很好的加工效果与效率 ， 并且也是研究相对较为深入的一种加工技术 。
其过程可以简单描叙为当脉冲尖峰到达玻璃材料表面时 ， 材料本身吸收激光能量后温度急剧上升 ， 达到熔点或者沸点 ， 在熔点附近 ， 激光作用区域的玻璃材料产生融化位移和融化溅射 ， 达到沸点后 ， 表面材料气化蒸发 ， 大量的物质被分解为碳和氧并被蒸汽带走 。 此时 ， 玻璃表面逐渐形成微纳结构 ， 并且热量向玻璃的内部以及四周扩散 ， 使得热影响区域增大导致微纳结构的直径和深度增加 。
随着功率降低 ， 温度的降低 ， 玻璃气化减弱 ， 随之融熔区域也不再扩大 ， 最后微纳结构形成 。 应该指出的是 ， 激光加热的过程中 ， 热影响区域与其他区域之间由于存在温度差行成了温度梯度 ， 玻璃本身作为一种硬脆材料 ， 其热膨胀系数很高 ， 这样由于温度的不同 ， 加热区域与非加热区域产生热应力不同 ， 材料在压力的作用下很容易出现裂纹与碎片 。


推荐阅读


上一篇：[家电论坛]内外兼修典范！德国CANTON的当家花旦——Chrono SL系列

下一篇：『人人都是产品经理』用户为王的时代，品牌的本质是什么？