超快激光在玻璃加工方面的应用

 

　　玻璃具有其他材料所不具备的独特性能。它拥有极好的光学性能，能反射、弯曲、透射和吸收光线，在整个可视范围内甚至更远，都具有较高的透明度。从化学性能来说，玻璃是一种抗腐蚀的惰性材料，可以作为很多化学品的容器。从热力和电力方面来看，玻璃是一种绝佳的绝缘体。从物理性能来看，玻璃表面坚硬，防刮耐磨，近年来通过各种方法，玻璃甚至具备了弹性。但是，也正是这些性能使得玻璃加工面临着更大挑战，例如一旦玻璃具备极好的抗拉强度，就变得易碎。

 

　　因此，处理玻璃的方法和其应用都需要从长计议。玻璃制造可以追溯到公元前3500年左右。人工制造玻璃大概首先出现在美索不达米亚和埃及，首先被用来制作珠宝，随后被用来制作壶。之后，加工工艺不断改进，从手工加工演变为现今的高科技工业工艺，出现了众多玻璃类别和应用。尽管玻璃制造历史悠久，但近几十年来由于玻璃的易碎性能，对于玻璃成品进行加工的工艺止步不前。

 

　　通常一个小裂纹就会造成玻璃破碎。一旦微裂纹在玻璃的某个部位形成，它就会蔓延至玻璃边缘，造成破裂。玻璃的这种易碎属性使其难以加工。另外一方面，不断发展的技术使其可制成结构更小，且形状各异的玻璃来应用于不同领域。传统的准确方法，如光刻和电子束光刻等来加工玻璃，但这些技术过于昂贵，不易操作，特别是大面积使用。现今，激光技术提供了加工玻璃的准确方法。直截了当的方法就是在波长范围内利用单光子吸收，玻璃在红外线或紫外线下不会高度透明。

 

　　但是，直接吸收会产生一些问题，包括不良热影响以及形成热影响区，这会产生微裂纹，严重危害玻璃的机械稳定性。此外，在玻璃表面下方进行加工，制造三维结构，需要使用高透明度波长。虽然纳秒脉冲激光器可以用于在玻璃中制造次表层结构（如下图），玻璃的物理机制会对微处理的精细程度造成限制，也会产生微裂纹。

 

 

　近年来，一种激动人心的替代性工艺已投入工业应用，即使用超快激光器在近红外波长范围内产生次皮秒脉冲。在这一方法中，超短脉冲紧密聚焦于玻璃的大部分或表面，每平方厘米的功率密度超过数太瓦，引发复杂多样的工艺，如同时多光子吸收、雪崩和碰撞电离，造成对玻璃基质高度局域化的破坏，同时几乎不存在能量沉积（只有几微焦甚至更少）。由于每次脉冲所用能量极其适度，对该部位（甚至是聚焦体积）造成的热影响可以忽略不计。这一方法通常被称为“冷消融”，可以用来制造极为准确的3D结构。和其他微制造技术相比，飞秒激光微制造透明材料具有独特优势。

 

　　加工强化玻璃

 

　　智能手机的兴起加大了显示屏的重要性。智能触摸显示屏（触摸屏）已经超越了手机键盘成为主要的用户界面。典型的智能手机包括四块玻璃平板：两块在显示屏上，容纳薄膜晶体管和液晶材料；一块提供触摸功能；还有一块化学钢化玻璃盖板保护底层免于划伤，冲击损伤和脏物。由于用户想要轻便、纤薄的智能手机，更薄的玻璃面板被使用。典型的玻璃显示面板为0.3毫米厚；化学钢化玻璃盖板0.7毫米厚。这使得传统的切割工艺达到了极限。切削轮子已经不适合加工这种玻璃，因为他们都经过特殊的化学强化处理，而铣削加工则需要大量研磨和抛光上的返工工作。

 

　　红外和绿光波长的超短脉冲激光器正好可用于这种材料的加工。皮秒脉冲能减少裂缝的产生，切割质量远远超过普通的铣削加工。激光光束多次扫过被加工材料来实现切割。速度，边缘质量和边缘的角度可以由加工策略来决定。相对于其他的激光工艺，烧蚀工艺更稳妥：例如，轻微变形的玻璃并不影响加工结果。在测试中，使用绿光皮秒激光器，"CorningEagle XG"的弯曲强度达280兆帕。使用红外皮秒激光器的测试结果表明速度增加三倍，边缘的弯曲强度略低。

 

　　更强大的皮秒激光器使我们有更大的机会来提高加工玻璃的效率。我们比较钢材和玻璃的烧蚀速度以及加工效率时这种机会尤为明显。由于等离子体屏蔽的原因，钢材的烧蚀效率在5 J/cm2的脉冲能量密度时开始降低，而玻璃允许更高的脉冲能量密度，直到加工效率达到很高。因此当加工玻璃时，更高的脉冲能量可以转化为更高的烧蚀效率。

 

　　当考虑进一步降低玻璃的重量和厚度时，人们可能会使用超薄玻璃。50微米厚的玻璃处理起来更微妙，对于机械加工也更敏感。事实上，这样的玻璃不用激光来加工已经是不可能了。

 

　　适用于任何棘手情况的蓝宝石

 

　　蓝宝石是地球上仅次于钻石第二坚硬的材料，很难使用机械的方法来加工。使用激光器来切割蓝宝石是当今LED制造业的标准加工方法，蓝宝石在这里用作基板衬底。由于其抗划伤性和透光性，蓝宝石会用来生产手表和光学仪器的保护镜面。

 

　　当加工细小的轮廓时，超短脉冲激光器可以实现精准的加工。例如当切割圆形部件和钻微孔时，柔性的轮廓加工可以通过高速扫描器来实现。超短脉冲除去了加工时的热影响，从而产生极好的切割边缘质量。

 

　　与超短脉冲相结合的智能加工方式可以避免形成缺口及开裂。经验表明100微焦左右的脉冲能量是很好的。例如，将脉冲能量为250微焦的激光光束分成两个125微焦的独立激光光束同时加工两个零部件就可以获得更高的产量。卓越的加工质量取决于加工方法、除尘和工件夹具之间的适宜的配合。