Come il beam shaping del laser rivoluziona il taglio del vetro
Il taglio laser del vetro è un campo di applicazione laser in rapida crescita e, grazie al beam shaping, è possibile superare le criticità della filamentazione laser
di Francesca Moglia
Tra le innovative applicazioni del beam shaping, il taglio laser del vetro è una delle più interessanti. Il taglio del vetro è un campo di applicazione laser in rapida crescita, con sfide diverse come il taglio di pannelli piatti per smartphone e schermi, il taglio di tubi di vetro capillari per l’industria medica e il taglio di vetro spesso per cantieri navali e produttori di automobili. Uno dei principali metodi di taglio del vetro è la filamentazione laser. In questo metodo, impulsi ultra-corti di luce ad una lunghezza d’onda in cui il vetro è trasparente sono focalizzati ad una densità di potenza molto alta, con conseguente assorbimento non lineare e indebolimento del materiale nella regione focale. Questo materiale indebolito può quindi essere rotto in una superficie molto liscia con poche scheggiature o ondulazioni. Questo processo di taglio del vetro richiede la focalizzazione della luce in un punto molto piccolo, in genere meno di 5 µm, per ottenere un’alta densità di potenza. Tuttavia, per un normale raggio laser gaussiano, questo risulterà in una profondità di fuoco molto piccola, dell’ordine della lunghezza di Rayleigh (alcune decine di micron). Così, per tagliare un vetro più spesso di 0,1 mm, la profondità focale del raggio deve essere aumentata. Un metodo per fare questo è l’uso di fasci tipo Bessel generati da un’ottica di tipo axicon, che distribuiscono l’energia del fuoco su un ampio intervallo di defocalizzazione. Tuttavia, il profilo energetico di questi fasci lungo l’asse ottico non è piatto, quindi molta dell’energia viene sprecata al di fuori del vetro, o va oltre la soglia di filamentazione.
Un focalizzatore per il taglio laser del vetro
Per affrontare questo problema, l’azienda Holo/Or, specializzata nel beam shaping dei laser ad alta potenza, ha sviluppato il modulo DeepCleave, un focalizzatore ottico diffrattivo ad alta apertura numerica che può generare una distribuzione di Bessel modificata che ha un profilo di intensità flat-top lungo l’asse ottico, con un valore fisso di profondità di fuoco determinato dall’elemento ottico diffrattivo in ogni modulo. L’azienda Fluence, in qualità di esperti nello sviluppo di laser al femtosecondo, era interessata a dimostrare la superiorità dei propri laser per le applicazioni di taglio del vetro e una collaborazione con Holo/Or per la convalida del loro modulo deepCleave è ora una realtà. Gli esperimenti di taglio sono stati eseguiti nel nuovo laboratorio applicativo di Fluence a Wrocław, in Polonia. Utilizzando il loro laser JASPER, che genera fino a 200 uJ di energia di burst a 100 kHz, è stata dimostrata un’impressionante velocità di taglio di >750 mm/s nel vetro spesso 1,1 mm (come il BK7 e il vetro sodico-calcico). Utilizzando passaggi multipli e implementando un modulo DeepCleave ZT-007-J con una profondità di fuoco di ~1,46 mm nel vetro (1,0 mm nell’aria), è stato possibile tagliare anche vetro da 4 mm di spessore. Inoltre, una produttività fino a 1 m/s o anche 2 m/s può essere raggiunto in condizioni specifiche grazie anche all’uso della sintonizzazione della durata dell’impulso basata sul software e della modalità burst. Durante gli esperimenti sono stati impiegati supporti per il posizionamento a guida diretta in cui il campione di vetro è stato montato e l’ottica è stata fissata. Il team ha trovato un interessante regime di auto-organizzazione delle micro-cricche, che apre la possibilità di tagliare il vetro in qualsiasi direzione predefinita senza elementi aggiuntivi nel percorso del fascio tra laser e DeepCleave. È stato dimostrato anche il taglio di zaffiro da 0,5 mm e di fused silica da 1,0 mm di spessore.