10、用接触球透镜控制钠钙玻璃在 Nd - YAG 激光热切割中的断裂

用接触球透镜控制钠钙玻璃在 Nd - YAG 激光热切割中的断裂

1. 引言

激光作为一种切割工具，能够在不与样品接触的情况下实现高能量密度聚焦。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。

传统玻璃切割工具通常是金刚石刀头，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，引发表面裂纹。基于激光加热路径，热裂纹可以通过多种方式控制，激光切割方法能够取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，并在机械载荷作用下使裂纹穿透，成功应用于切割陶瓷和硅片等脆性材料。

不过，在脆性材料的激光切割过程中，激光路径可能与裂纹扩展不一致。为解决这一问题，本文提出了一种创新方法，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。接触球透镜在激光切割过程中对钠钙玻璃的裂纹形成产生弯曲力，从而增强裂纹扩展的可控性。

2. 实验

• 实验装置 ：采用连续波（cw）TEM00 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。玻璃底面涂有厚度约 6 μm 的碳膜，以将激光吸收率提高到 79%。实验中使用的钠钙玻璃基板尺寸为 76 mm × 25 mm × 1 mm。
• 球透镜作用 ：玻璃样品的两个侧边被固定在宽度为 10 mm 的夹具中，球透镜通过接触力预加载在玻璃上表面，产生弯曲力矩，使基板底面形成拉伸应力状态。拉伸应力与碳膜吸收激光