一种锗材料的超快激光切割装置的制作方法

1.本实用新型涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种锗材料的超快激光切割装置。


背景技术：

2.晶体锗材料是集成电路、红外光学、太阳能等领域不可或缺的材料。例如，因其具有较高电子迁移率，常被应用在高频、高功率器件。再如，第三代太阳能电池采用锗衬底砷化镓三五族材料，具有极高的光电转化效率，已被大量应用在太空飞行器。随着其生产成本的降低和工艺逐渐成熟，将得到更为广泛的应用。锗材料的切割工艺流程在生产过程中占据了较大成本比例，传统的机械切割方法包括内圆切割、外圆切割和多线切割等。其加工效率较低，生产过程污染大，成品率不高。此外，可以采用激光切割，同传统机械切割方式相比，激光切割精度高、质量好、造成材料的浪费少且切割面光滑。目前，行业内对锗材料的加工普遍存在加工粉尘、飞溅物质影响切割效果，导致激光切割质量下降的问题。
3.因此，如何在不使工艺复杂化的前提下提高激光切割质量，对于激光切割在锗材料上的应用有着重要意义。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种锗材料的超快激光切割装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
5.本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：
6.本实用新型提供了一种锗材料的超快激光切割装置，包括沿激光光路依次排列的超快激光器、振镜、场镜和工作台；
7.所述超快激光器输出的激光束的波长取值范围为1.9-2.3微米，所述超快激光器输出的激光束为脉冲输出，输出脉冲的宽度的取值范围为50飞秒至200皮秒，峰值功率大于50千瓦；
8.所述工作台用于承载固定待切割锗材料；
9.所述超快激光器输出的激光束通过所述振镜和场镜，激光束透过所述待切割锗材料的上表面，在所述待切割锗材料的内部形成激光聚焦点；
10.激光聚焦点在待切割锗材料中产生的自聚焦和自散焦效应相互平衡，形成具有一定长度的光丝，从而在待切割锗材料内部形成一个纵向裂纹，再控制所述振镜沿预定切割轨迹移动激光聚焦点，直至形成切割包络。
11.进一步地，所述激光聚焦点的光斑直径小于10微米。
12.进一步地，所述待切割锗材料面对激光束输入的表面设置为抛光表面。
13.进一步地，所述超快激光器包括种子激光器和光纤放大器；
14.所述种子激光器输出的激光束通过所述光纤放大器进行能量放大后输出，输出激光束为脉冲输出。
15.进一步地，所述锗材料的激光加工装置还包括可见光视觉系统；
16.所述可见光视觉系统用于对所述工作台承载的待切割锗材料的预定切割轨迹进行精准定位。
17.进一步地，所述待切割锗材料通过治具安装在所述工作台上。
18.进一步地，所述治具包括相对安装在所述工作台上的两个支撑板，两个支撑板上螺纹连接有一正反旋丝杆，所述正反旋丝杆的两侧分别螺纹连接有一夹持板，所述正反旋丝杆的一端固定连接有一转动把手。
19.进一步地，所述锗材料的超快激光切割装置还包括反射镜；
20.所述反射镜沿激光光路方向位于所述超快激光器的后方，并位于所述振镜的上方，用于将所述超快激光器输出的激光束垂直投射到所述振镜上。
21.本实用新型的有益效果如下：
22.本实用新型由于采用了波长介于1.9-2.3微米的超快激光器，其对于锗材料有良好的透过率，从而可以在锗材料内部产生激光成丝效应，形成纵向连续分布的聚焦点，并不影响其表面性质，其碎片污染小，可切割厚度大，切口材料损耗少，加工效率高；
23.此外，输出脉冲宽度的取值范围为50飞秒至200皮秒，脉冲宽度窄，激光作用时间远小于晶格传热时间，热影响区小，切割质量好。
附图说明
24.图1为根据本实用新型实施例提供的一种锗材料的超快激光切割装置的结构示意图。
25.图中：10、超快激光器；11、种子激光器；12、光纤放大器；20、振镜；30、场镜；40、工作台；50、待切割锗材料；60、可见光视觉系统；70、反射镜；81、支撑板；82、螺杆；83、夹持板；84、把手。
具体实施方式
26.下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
27.如图1所示的一种锗材料的超快激光切割装置，包括沿激光光路依次排列的超快激光器10、振镜20、场镜30和工作台40；超快激光器10输出的激光束的波长取值范围为1.9-2.3微米，超快激光器10输出的激光束为脉冲输出，输出脉冲宽度的取值范围为50飞秒至200皮秒，峰值功率大于50千瓦；工作台40用于承载固定待切割锗材料50；通过振镜20和场镜30，激光束透过待切割锗材料50的上表面，在待切割锗材料50的内部形成激光聚焦点，由于光致折射率变化，其在锗材料内部形成自聚焦，另一方面，由于强激光作用形成的离子体对光束产生自散焦效应，自散焦同自聚焦效应相平衡，形成激光成丝效应，从而形成一个纵向裂纹，再控制振镜20沿预定切割轨迹移动激光聚焦点，直至形成切割包络。本发明由于采用了波长介于1.9-2.3微米的超快激光器，其对于锗材料有良好的透过率，从而可以在锗材料内部产生激光成丝效应，形成纵向连续分布的激光聚焦点，并不影响其表面性质，其碎片污染小，可切割厚度大，切口材料损耗少，加工效率高；此外，输出脉冲宽度的取值范围为50飞秒至200皮秒，脉冲宽度窄，激光作用时间远小于晶格传热时间，热影响区小，切割质量
好。
28.在上述结构基础上，激光聚焦点的光斑直径小于10微米。
29.在上述结构基础上，为保证加工效果，把待切割锗材料50面对激光束输入的表面加工成抛光表面，从而允许良好的1950nm超快激光透过率。
30.在上述结构基础上，超快激光器10包括种子激光器11和光纤放大器12；种子激光器11输出的激光束通过光纤放大器12进行能量放大后输出，输出激光束为脉冲输出。
31.在上述结构基础上，超快激光器10输出1950nm波长的红外激光束，其重复频率20mhz，脉宽500飞秒，功率5w，单脉冲能量250纳焦，脉冲峰值功率500kw。
32.在上述结构基础上，待切割锗材料50通过治具安装在工作台上，具体而言，治具包括相对安装在所述工作台上的两个支撑板81，两个支撑板81上可转动的连接有一正反旋丝杆82，在正反旋丝杆82的两侧分别螺纹连接有一夹持板83，在正反旋丝杆82的一端固定连接有一转动把手84，此治具结构可以适用不同尺寸规格的待切割锗材料50，即通过驱动转动把手84带动正反旋丝杆82转动从而可以调节两个夹持板83的夹持空间，为了不损伤待切割锗材料50，可以在两个夹持板83的相对侧分别覆设一保护垫。
33.在上述结构基础上，上述锗材料的超快激光切割装置还包括可见光视觉系统60；可见光视觉系统60用于对工作台40承载的待切割锗材料50的预定切割轨迹进行精准定位，在这里，可见光视觉系统60选用定位相机等辅助加工系统以用于配合振镜20准确调整激光聚焦点的位置，精确度高。
34.在上述结构基础上，上述锗材料的超快激光切割装置还包括反射镜70，反射镜70沿激光光路方向位于超快激光器10的后方，并位于振镜20的上方，反射镜70与水平方向呈45
°
夹角，能够将超快激光器10输出的激光束垂直投射到振镜20上。
35.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，包括沿激光光路依次排列的超快激光器、振镜、场镜和工作台；所述超快激光器输出的激光束的波长取值范围为1.9-2.3微米，所述超快激光器输出的激光束为脉冲输出，输出脉冲宽度的取值范围为50飞秒至200皮秒，峰值功率大于50千瓦；所述工作台用于承载固定待切割锗材料；所述超快激光器输出的激光束通过所述振镜和场镜，激光束透过所述待切割锗材料的上表面，在所述待切割锗材料的内部形成激光聚焦点；激光聚焦点在待切割锗材料中产生的自聚焦和自散焦效应相互平衡，形成具有一定长度的光丝，从而在待切割锗材料内部形成一个纵向裂纹，再控制所述振镜沿预定切割轨迹移动激光聚焦点，直至形成切割包络。2.根据权利要求1所述的一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，所述激光聚焦点的光斑直径小于10微米。3.根据权利要求1所述的一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，所述待切割锗材料面对激光束输入的表面设置为抛光表面。4.根据权利要求1所述的一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，所述超快激光器包括种子激光器和光纤放大器；所述种子激光器输出的激光束通过所述光纤放大器进行能量放大后输出。5.根据权利要求1所述的一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，所述锗材料的激光加工装置还包括可见光视觉系统；所述可见光视觉系统用于对所述工作台承载的待切割锗材料的预定切割轨迹进行精准定位。6.根据权利要求1所述的一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，所述待切割锗材料通过治具安装在所述工作台上。7.根据权利要求6所述的一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，所述治具包括相对安装在所述工作台上的两个支撑板，两个支撑板上螺纹连接有一正反旋丝杆，所述正反旋丝杆的两侧分别螺纹连接有一夹持板，所述正反旋丝杆的一端固定连接有一转动把手。8.根据权利要求1所述的一种锗材料的超快激光切割装置，其特征在于，所述锗材料的超快激光切割装置还包括反射镜；所述反射镜沿激光光路方向位于所述超快激光器的后方，并位于所述振镜的上方，用于将所述超快激光器输出的激光束垂直投射到所述振镜上。

技术总结
本实用新型公开了一种锗材料的超快激光切割装置，包括沿激光光路依次排列的超快激光器、振镜、场镜和工作台；超快激光器输出的激光束的波长取值范围为1.9-2.3微米，超快激光器输出的激光束为脉冲输出，每个脉冲的宽度为50飞秒至200皮秒，每个脉冲的峰值功率大于50千瓦；工作台承载固定待切割锗材料；超快激光器输出的激光束通过振镜和场镜，激光束透过待切割锗材料的上表面，在待切割锗材料的内部形成激光聚焦点。本实用新型对于锗材料有良好的透过率，可以在锗材料内部形成连续分布的聚焦点，而不影响其表面性质，从而能采用超快激光成丝的方法对锗材料进行激光切割，具有碎片污染小，热影响区小，可切割厚度大，切口材料损耗少，切割质量高的优点。切割质量高的优点。切割质量高的优点。


技术研发人员：蒋仕彬 李夏 蒋立佳
受保护的技术使用者：杭州银湖激光科技有限公司
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/9/16