10、用接触球透镜控制钕 - 钇铝石榴石激光热切割钠钙玻璃的断裂

用接触球透镜控制钕 - 钇铝石榴石激光热切割钠钙玻璃的断裂

1. 引言

激光可聚焦成切割工具，在不与样品接触的情况下实现高能量密度。与传统技术相比，激光加工具有产品设计和制造快速变更的灵活性，适用于现代工业的自动化生产。传统玻璃切割工具如金刚石刀头，存在磨损快、切割边缘粗糙的问题。而激光照射玻璃表面产生热应力，可引发表面开裂，基于激光加热路径，热裂纹可得到控制，激光切割已成功应用于陶瓷和硅片等脆性材料。

然而，在脆性材料的激光切割中，激光路径和裂纹扩展可能不一致。为解决这一问题，本文提出使用接触球透镜的创新方法。通过接触球透镜在激光切割过程中对钠钙玻璃产生弯曲力，结合激光产生的热应力，控制裂纹扩展，提高切割质量。

2. 实验

• 实验装置 ：采用连续波钕 - 钇铝石榴石（Nd - YAG）激光（波长 1064 nm），通过凸面石英透镜和 BK7 球透镜聚焦后照射到钠钙玻璃上。玻璃表面涂有约 6 μm 厚的碳膜，以提高激光吸收率至 79%。实验使用尺寸为 76 mm × 25 mm × 1 mm 的钠钙玻璃基板。
• 球透镜作用 ：球透镜通过接触力在玻璃上表面产生弯曲力矩，使玻璃下表面处于拉伸应力状态。结合碳膜吸收激光产生的热应力，实现机械和热载荷共同控制裂纹扩展。
• 参数分析 ：采用 ZEMAX 软件分析光束光斑直径。随着聚焦透镜与球透镜之间的间距增加，焦点移出接触点，玻璃表面的光束光斑直径增大。激光强度峰值按以下公式计算：
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  I_p(x, y) = (1 - R) \t