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学术论文

[论文]皮秒激光与光纤激光切割蓝宝石对比

Johnny Lee 来源:激光制造商情2016-01-19 我要评论(0 )   

皮秒激光,即指其激光发射脉冲宽度时间为皮秒数量级,我们用来加工蓝宝石的皮秒激光器脉冲宽度为6~10ps,脉冲重复频率为400~600kHz,峰值功率达MW级。

东莞市盛雄激光设备有限公司供稿

 1.什么是皮秒
   皮秒激光,即指其激光发射脉冲宽度时间为皮秒数量级,我们用来加工蓝宝石的皮秒激光器脉冲宽度为6~10ps,脉冲重复频率为400~600kHz,峰值功率达MW级。 
   亚皮秒也是一种时间量度单位,严格意义脉冲宽度应介于500ps~1ns之间的激光才能称之为亚皮秒激光。  
 
目前市场上切割蓝宝石基片需要吹氮气冷却的激光器其脉冲宽度为0.2ms, 重复频率为100 Hz, 峰值功率仅为KW级,与皮秒激光相比,两者的脉冲宽度相差高达10000000倍,峰值功率相差高达1000倍。 
 
温馨提示:实际市场上有些激光公司所谓的亚皮秒激光,其跟皮秒激光根本不是同一概念,其实质是混淆视听,只是为了在推销机器时提高价格而已。
 
2.切割原理对比
 
皮秒激光:气化切割方式 
脉冲激光在高峰值功率激光束照射下,材料被高峰值功率瞬间加热迅速升高至气化温度而无明显融化,使得材料以气体的形式从材料表面逸出。激光束经过高速位移的扫描振镜反射后经平场镜聚焦在蓝宝石表面,多次重复转圈运动,逐渐蚀刻蓝宝石,材料可完全切透分离,所以可以实现材料的自动化上下料。
 
光纤激光: 热熔切割方式
准连续激光平均功率相对较低,被激光照射处的材料首先产生热熔融化,在高纯氮气(或其他惰性气体)气体流的作用下,熔融的材料由切口底部排出。其中氮气作用有两种:1.冷却;2.加速排屑,提高切透力。
激光束经过导光系统进入切割头,经切割头中透镜聚焦于蓝宝石表面,使该处材料迅速熔化,形成孔洞,随平台的移动,形成切口,借助向下扫的氮气流将熔化的材料吹除。切割时激光与氮气的作用产生瞬间即热即冷,容易挂渣,使得材料不能彻底切割开分离,故不能实现自动化上下料。

3.切割构型对比

 



4. 峰值功率对比
以切割0.3mm厚度蓝宝石为例
皮秒激光(100W) 
   脉冲宽度:10ps 
   使用功率:48W(双头加工,单头功率24W)
   脉冲频率:600kHz
   单脉冲能量= 使用功率÷脉冲频率=24W ÷ 600kHz=40μЈ 
   峰值功率=单脉冲能量÷脉冲宽度  =40μЈ÷10ps=4×1000000W=4000000W 
 
光纤激光(150W)
   脉冲宽度:135us 
   使用功率:50W
   脉冲频率:750Hz
   单脉冲能量= 使用功率÷脉冲频率=50W ÷ 750Hz=66667μЈ
   峰值功率=单脉冲能量÷脉冲宽度=66667μЈ ÷135us=494W
 

5.切割效率对比

皮秒激光设备:全自动化上下料


13000粒/23小时

(以厚度0.3mm、直径为10mm圆为例)

光纤激光设备:人工手动上下料


5000粒/23小时 
(以厚度0.3mm、直径为10mm圆为例) 
 
皮秒激光切割排版
皮秒激光切割蓝宝石排版示意图

                 蓝宝石                                蓝宝石

皮秒激光切割蓝宝石排版紧凑,无需切割引线,最大化利用蓝宝石材料

6.切割锥度对比

以切割0.3mm厚度蓝宝石片为例,规格12.3*12.3。

下图分别为皮秒激光与光纤激光切割的蓝宝石边缘投影图。皮秒激光切割蓝宝石锥度<11°;光纤激光切割蓝宝石锥度<7°。




7. 切割效果对比

蓝宝石小粒:12.3*12.3






光纤激光切割的蓝宝石边缘发黄,皮秒激光切割的蓝宝石边缘不变色

正面直线边缘对比

皮秒激光切割  

 

  结论:

1、皮秒激光切割的蓝宝石直线边缘整齐光滑

2、光纤激光切割的蓝宝石边缘呈锯齿,且边缘线条发黑

 

正面崩边对比


结论:
1、放大1000倍观测,正面崩边均小于10um。
2、皮秒激光切割的蓝宝石边缘局部偶尔有崩边锯齿,所以整体静压强度会很高。
3、光纤激光切割的蓝宝石整个正面边缘都是锯齿和裂纹,所以力学强度会大幅下降。
 
背面边缘效果对比
皮秒激光切割蓝宝石背面边缘(崩边<30 um)

皮秒激光切割的蓝宝石背面边缘整齐,光纤激光切割所得的边缘呈锯齿线条。

光纤激光切割蓝宝石背面边缘(崩边<30 um

不似皮秒激光采取快速多次填充式切割,光纤激光切割蓝宝石采取“一刀切穿”模式,切割锥度小,不易区分切割正面与背面。

热影响区域对比

皮秒激光切割                            光纤激光切割


8.静压强度对比

皮秒激光切割产品 (静压强度>10Kg)


光纤激光切割产品(静压强度<5Kg


落球测试:7g 、60cm (皮秒激光与光纤激光切割的蓝宝石均通过)  

9.小结


文章链接:http://www.laserfair.com/ebook/201512/pdf/f1.pdf

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皮秒激光光纤激光蓝宝石切割
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