10、利用接触球透镜在钕 - 钇铝石榴石激光热切割中控制钠钙玻璃的断裂

利用接触球透镜在钕 - 钇铝石榴石激光热切割中控制钠钙玻璃的断裂

1. 引言

激光能够聚焦成切割工具，在不与样品接触的情况下实现高能量密度。激光加工在产品设计和制造的快速变更方面具有灵活性，适合现代工业的自动化生产。与传统技术相比，激光加工是激光材料加工的热门应用之一。

传统切割玻璃通常使用金刚石刀头，但工具接触会导致快速磨损，且切割边缘粗糙。而激光照射玻璃表面会产生热应力，从而引发表面开裂。基于激光加热的移动路径，热裂纹可以通过多种方式控制，激光切割方法能够替代许多传统加工工艺，如玻璃的金刚石切割。此外，激光切割还能在玻璃片上产生热应力，在机械载荷作用下使裂纹穿透，这种方法已成功应用于切割陶瓷和硅片等脆性材料。

不过，在激光切割脆性材料时，激光路径可能与裂纹扩展不一致。为解决这一问题，本文提出一种创新方法，即让激光束通过接触球透镜进行直线切割，以改善激光切割过程中的裂纹控制。球透镜施加的接触力可使玻璃片弯曲，产生的弯曲力矩能增强热应力引发的裂纹尖端扩展，使裂纹沿激光束方向持续扩展。

2. 实验

2.1 实验装置

实验采用连续波（cw）TEM00 钕 - 钇铝石榴石（Nd - YAG）激光，波长为 1064 nm。激光束通过凸面石英透镜和 BK7 球透镜聚焦，照射在底部表面涂有 6 μm 碳膜的钠钙玻璃上，以将激光吸收率提高至 79%。实验使用的钠钙玻璃尺寸为 76 mm × 25 mm × 1 mm。由于 1064 nm 波长的激光通过钠钙玻璃时具有高透射率，约 8%的激光会被吸收，因此热影响区主要集中在涂有碳膜的底部表面。

玻璃样品的两个侧边被固定在宽度为 10 mm 的夹具中，球透镜通过