[实用新型]一种激光成形切割蓝宝石基片的加工装置

说明书

技术领域

本实用新型用于激光加工硬脆材料的技术领域，具体设计一种激光成形切割蓝宝石基片的加工装置。 

背景技术

蓝宝石单晶具有硬度高(莫氏硬度为9)、熔点高(2030℃)、耐磨性好、透光率高、在高温下(1000℃)仍能够保持稳定的化学特性等良好综合性能，已广泛应用在电子信息、国防和医疗等多个领域，同时，蓝宝石应用到LED方面也成为主流；近几年，随着手机大屏化，蓝宝石已经初步应用到手机，iPhone手机HOME键保护盖以及后镜头保护盖甚至iPhone以及iWatch的屏幕外层都已采用蓝宝石材料，特别是在大尺寸显示屏，还有一些高级手表外盖也在使用蓝宝石材料。这些要求对蓝宝石基片进行切割、划片和钻孔等加工。 

激光切割技术可用于蓝宝石的切割，在激光干式切割中，目前主要采用皮秒激光进行切割，加工成本较高；激光背向湿式刻蚀加工时，大多采用短波长、低能量激光和对激光有较好吸收的有机溶液作为工作液体，激光透过待加工材料入射到材料背面--液体接触区域，有机溶液通过对激光的多光子吸收，温度升高达到蓝宝石的熔点和气化温度，实现材料的去除，但是此方法大多应用于微结构的制造，很难进行成形切割。这类方法不能实现成形切割的原因在于(1)短波长激光输出能量低；(2)工作液体活性不强；(3)切割深度增加时工作液体不能及时上溢而沉积在蓝宝石切槽中；(4)排屑困难。 

红外激光具有高输出能量和低成本的优势，但加工蓝宝石基片存在的问题是热应力大，易产生裂纹。要克服以上问题，需要研制出适合红外激光吸收的工作液体，并提高其活性使光化学反应更容易进行，增强工作液体对激光的吸收，不致于在过高的激光能量辐照下产生裂纹，这样在激光切割过程中不断有新的沉积层在蓝宝石材料背面沉积，进而来增强对激光的吸收，利用激光诱导微气泡排除切割过程产生的碎屑，这样就能实现对蓝宝石基片的成形切割。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种操作简单，方便实用，成本较低，具有较高的加工速率的激光成形切割蓝宝石基片的加工装置。 

本实用新型的技术方案是：本实用新型的激光成形切割蓝宝石基片的加工装置，包括蓝 宝石基片、激光束、聚焦透镜组、保护装置、容器，其中容器设置在工作台上，蓝宝石基片固定在容器上部，并在蓝宝石基片上表面设置一保护装置，在容器的一侧顶部位置固定一进气管和密封口，容器的另一侧为排气口和进液口。具体步骤如下： 

1)将蓝宝石基片固定在容器上部，并在蓝宝石基片上表面设置一保护装置； 

2)在容器内注入CuSO₄混合溶液，并使液体与蓝宝石基片的下表面接触； 

3)将激光光束聚焦在蓝宝石基片与上述液体的接触面上； 

4)在容器一侧顶部位置固定一进气管，加工过程中不断通入压缩空气，使得混合溶液中微纳颗粒在加工过程中处于悬浮状态； 

5)在激光作用下溶液在待加工蓝宝石基片下表面发生光化学反应在蓝宝石基片背面产生沉积层； 

6)固液接触面处液体中的悬浮颗粒和上述沉积层结合增强对激光能量的吸收，使得激光焦点附近蓝宝石材料温度不断升高，达到蓝宝石材料的熔化和气化温度；与此同时，温度升高使得材料软化，在激光辐照下，以悬浮颗粒为中心产生大量激光诱导微小气泡，气泡爆破产生的冲击力冲刷蓝宝石基材，利于加工过程中碎屑的排出，两者共同作用最终实现蓝宝石基片的切割； 

7)在上述脉冲激光连续作用下，并结合安装工件的工作台沿着Z向直线运动和振镜沿着X/Y方向扫描，实现对蓝宝石基片的成形切割。 

上述工作液体为在激光作用下能发生光化学沉积的CuSO₄混合溶液，其内部含有大量的悬浮颗粒。 

本实用新型采用的装置使得激光背向湿式刻蚀加工方法中碎屑容易被液体带走，激光烧蚀的热效应小，加工区域无重凝层，加工质量好，液体可以不断上溢，提高加工效率，实现蓝宝石基片的成形切割。