СПОСОБ РЕЗКИ СТЕКЛА
METHOD OF CUTTING GLASS

Изобретение относится к области прецизионной микрообработки материалов, в частности, к способу резки стекол при помощи гребенки лазерных импульсов фемтосекундной длительности и может быть использовано для прецизионной резки стекла на предприятия и в научно-исследовательских центра.
Наиболее распространенным в производстве способом резки стекла является резка алмазом. В данном методе алмазом на поверхности стекла создается царапина заданной геометрии. Далее за счет приложения изгибающего напряжения к стеклу, трещина, располагающаяся под царапиной, распространяется вглубь образца, и происходит разлом стекла. При этом края скола обладают низким качеством, наличием микротрещин, большой шириной пропила. Этим методом практически невозможна резка тонких образцов.
Распространенным методом резки лазерным излучением является метод термораскалывания. В данном методе сначала происходит разогрев поверхности и приповерхностного стекла сфокусированным лазерным пучком. При этом стекло расширяется и возникают напряжения растяжения, которые усиливаются дальнейшим воздействием расфокусированного пучка. В результате происходит образование трещины во всю толщину стекла.
2
Другим активно развивающимся методом является резка с помощью лазерной абляции. В основе данного метода лежит испарение обрабатываемого материала за счет линейного поглощения лазерной энергии и последующего нагрева поверхности. Применяются, как правило, эксимерные лазеры, работающие в УФ диапазоне, и СО-лазеры, работающие в ИК диапазоне. Данный способ также обладает рядом недостатков: низкая скорость обработки, образование трещин, оплавление соседних с областью резки участков стекла, меньшая по сравнению с алмазом, но все равно достаточно большая ширина пропила, необходимость линейного поглощения материала на длине волны лазера. Для уменьшения ширины пропила в случае лазерной обработки применяют комбинированные методы, включающие в себя лазерное нагревание и параллельное охлаждение струей воды [US 5609284, US 6787732].
Улучшение параметров резки получают за счет использования импульсных лазеров. За счет высокой пиковой интенсивности в области фокусировки происходят процессы нелинейного поглощения. Такой механизм снимает ограничения на длину волны используемого лазера, что позволяет фокусировать излучение в пятно микронного и субмикронного масштаба, отсюда повышенная прецизионность резки. В то же время в результате использования данного метода по-прежнему формируются микротрещины и происходит засорение поверхности аблировавшим материалом поверхности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки материала лазерным пучком, представленный в [K. Mishik, Ultrashort pulse laser cutting of glass by controlled fracture propagation, 2016], состоящий в модифицировании стекла гребенками лазерных импульсов фемтосекундной длительности с частотой следования импульсов внутри гребенки 25 нc.
Указанный прототип обладает рядом достоинств: при модифицировании стекла в таком режиме реализуется механизм аккумуляции тепла, при котором тепло, возникшее в фокальной точке при воздействии лазером на стекло, не успевает рассеяться до следующего импульса в гребенке. Таким образом, в ходе облучения происходит непрерывный рост температуры. Это позволяет избавиться от напряжений, неизбежно сопутствующих модифицированию структуры стекла.
Обратной стороной эффекта аккумуляции тепла является оплавление границ модификации, что приводит к заплавлению микротрещин, лежащих в основе хрупкости стекла, таким образом, препятствуя последующему разлому образца стекла. В указанном прототипе процесс резки состоит из трех стадий: сначала со скорость 1 мм/сек «выжигается» линия на поверхности стекла, затем с той же скоростью создается линия в объеме стекла. Далее к образцу прикладывается изгибающее напряжение и происходит разлом стекла. Такая многостадийность существенно замедляет процесс. Оптимальная скорость резки, выявленная авторами, составляет 2 мм/сек.
Использование гребенок фемтосекундных импульсов с межимпульсным интервалом порядка пс позволяет существенно повысить эффективность процесса резки стекол. Известно, что при взаимодействии лазерного импульса со стеклом возникает ударная волна [A. Mermillod-Blondin, Dynamics of femtosecond laser induced void-like structures in fused silica], создающая разряжение в модифицируемой области, которое растет в субнаносекундном масштабе. При этом, если лазерный импульс взаимодействует с модифицированной областью в момент возникновения разряжения, происходит увеличение количества стабильных дефектов структуры, приводящих к образованию необходимых для успешной резки микротрещин.
Задачей настоящего изобретения является ускорение процесса резки стекла за счет уменьшения количества стадий.
Поставленная задача решается способом резки стекла, включающим формирование гребенки фемтосекундных лазерных импульсов, характеризующейся межимпульсным интервалом, создание данными гребенками линии из дефектов структуры стекла в объеме стекла и разлом стекла, при этом гребенку фемтосекундных лазерных импульсов формируют с помощью интерферометра, а межимпульсный интервал, определяемый толщиной интерферометра, составляет 10-70 пс.
Для резки стекла применялась установка (Фиг. 1) на основе фемтосекундного лазера (1) с рабочей длиной волны 1030 нм. Лазерные импульсы длительностью 180 фс и энергией 4 мкДж пропускались через интерферометр (2), представляющий собой пластину стекла с отражающими покрытиями на обеих поверхностях (коэффициент отражения 0,75), для создания гребенки импульсов. В зависимости от толщины использованного интерферометра (1 мм, 2 мм, 4 мм, 7 мм) изменялось расстояние между импульсами внутри гребенки (10 пс, 20 пс, 40 пс, 70 пс). Далее излучение фокусировалось в объем стекла (образец) (4) объективом (3) с числовой апертурой 0,15 на глубину 10 мкм. Запись линий, формируемых в результате воздействия гребенок импульсов на стекло, осуществлялась с помощью перемещения образца, установленного на трехкоординатный стол (5), относительно неподвижного лазерного пучка со скоростью от 1 до 2 мм/сек.
Достижение заявленного технического результата подтверждается следующими примерами. За оптимальную скорость записи линии принималась такая скорость, при которой разлом образца проходил строго по записанной линии.
Пример 1
С помощью интерферометра толщиной 1 мм была сформирована гребенка фемтосекундных лазерных импульсов с межимпульсным интервалом 10 пс, длительность фемтосекундного импульса составила 180 фс, энергия гребенки импульсов составила 1 мкДж. Далее с помощью объектива с числовой апертурой 0,15 гребенка импульсов была сфокусирована в объем образца стекла, установленного на трехкоординатном столе. С помощью перемещения образца относительно неподвижного лазерного пучка в объеме стекла была сформирована линия со скоростью 1,7 мм/сек. После этого был проведен разлом стекла.
Пример 2
С помощью интерферометра толщиной 2 мм была сформирована гребенка фемтосекундных лазерных импульсов с межимпульсным интервалом 20 пс, длительность фемтосекундного импульса составила 180 фс, энергия гребенки импульсов составила 1 мкДж. Далее с помощью объектива с числовой апертурой 0,15 гребенка импульсов была сфокусирована в объем образца стекла, установленного на трехкоординатном столе. С помощью перемещения образца относительно неподвижного лазерного пучка в объеме стекла была сформирована линия со скоростью 1,5 мм/сек. После этого был проведен разлом стекла.
Пример 3
С помощью интерферометра толщиной 4 мм была сформирована гребенка фемтосекундных лазерных импульсов с межимпульсным интервалом 40 пс, длительность фемтосекундного импульса составила 180 фс, энергия гребенки импульсов составила 1 мкДж. Далее с помощью объектива с числовой апертурой 0,15 гребенка импульсов была сфокусирована в объем образца стекла, установленного на трехкоординатном столе. С помощью перемещения образца относительно неподвижного лазерного пучка в объеме стекла была сформирована линия со скоростью 1,5 мм/сек. После этого был проведен разлом стекла.
Пример 4
С помощью интерферометра толщиной 7 мм была сформирована гребенка фемтосекундных лазерных импульсов с межимпульсным интервалом 70 пс, длительность фемтосекундного импульса составила 180 фс, энергия гребенки импульсов составила 1 мкДж. Далее с помощью объектива с числовой апертурой 0,15 гребенка импульсов была сфокусирована в объем образца стекла, установленного на трехкоординатном столе. С помощью перемещения образца относительно неподвижного лазерного пучка в объеме стекла была сформирована линия со скоростью 1 мм/сек. После этого был проведен разлом стекла.
Выводы
Как видно из приведенных выше примеров, использование гребенок фемтосекундных импульсов с межимпульсным расстояние от 10 до 70 пс позволяет уменьшить количество стадий резки стекла до двух: 1) нанесение линии разлома на поверхности образца в один проход, 2) разлом образца. Применение гребенок импульсов в резке стекла позволило увеличить скорость процесса на 15-50%.