飛秒激光應(yīng)用于玻璃加工

【中玻網(wǎng)】玻璃是一種透明的類固體材料，在人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用廣泛。玻璃的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，尤其是和其他材料相結(jié)合能更多地應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。玻璃由物質(zhì)材料、石灰石和沙子等常見的材料制成。這些材料在高溫條件下（約1500℃）溶化，就像液體一樣，可以被灌注、吹制、壓制和模塑成各種形狀。但在室溫下，玻璃就成為固體，冷卻后由于機(jī)械性能的改變會變得難以加工處理。
　　
　　玻璃具有其他材料所不具備的獨(dú)特性能。它擁有較好的光學(xué)性能，能反射、彎曲、透射和吸收光線，在整個(gè)可視范圍內(nèi)甚至更遠(yuǎn)，都具有較高的透明度。從化學(xué)性能來說，玻璃是一種抗腐蝕的惰性材料，可以作為很多化學(xué)品的容器。從熱力和電力方面來看，玻璃是一種上好的絕緣體。從物理性能來看，玻璃表面堅(jiān)硬，防刮耐磨，近年來通過各種方法，玻璃甚至具備了彈性。但是，也正是這些性能使得玻璃加工面臨著更大挑戰(zhàn)，例如一旦玻璃具備較好的抗拉強(qiáng)度，就變得易碎。
　　
　　因此，處理玻璃的方法和其應(yīng)用都需要從長計(jì)議。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現(xiàn)在美索不達(dá)米亞和埃及，首先被用來制作珠寶，隨后被用來制作壺。之后，加工工藝不斷改進(jìn)，從手工加工演變?yōu)楝F(xiàn)今的高科技工業(yè)工藝，出現(xiàn)了眾多玻璃類別和應(yīng)用。盡管玻璃制造歷史悠久，但近幾十年來由于玻璃的易碎性能，對于玻璃成品進(jìn)行加工的工藝止步不前。
　　
　　通常一個(gè)小裂紋就會造成玻璃破碎。一旦微裂紋在玻璃的某個(gè)部位形成，它就會蔓延至玻璃邊緣，造成破裂。玻璃的這種易碎屬性使其難以加工。另外一方面，不斷發(fā)展的技術(shù)使其可制成結(jié)構(gòu)更小，且形狀各異的玻璃來應(yīng)用于不同領(lǐng)域。傳統(tǒng)的準(zhǔn)確方法，如光刻和電子束光刻等來加工玻璃，但這些技術(shù)過于昂貴，不易操作，特別是大面積使用�，F(xiàn)今，激光技術(shù)提供了加工玻璃的較準(zhǔn)確方法。較直截了當(dāng)?shù)姆椒ň褪窃诓ㄩL范圍內(nèi)利用單光子吸收，玻璃在紅外線或紫外線下不會高度透明。
　　
　　但是，直接吸收會產(chǎn)生一些問題，包括不良熱影響以及形成熱影響區(qū)，這會產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重危害玻璃的機(jī)械穩(wěn)定性。此外，在玻璃表面下方進(jìn)行加工，制造三維結(jié)構(gòu)，需要使用高透明度波長。雖然納秒脈沖激光器可以用于在玻璃中制造次表層結(jié)構(gòu)（如圖1），玻璃的物理機(jī)制會對微處理的精細(xì)程度造成限制，也會產(chǎn)生微裂紋。

　　
　　圖1：使用納秒激光器（左圖）和使用近紅外（NIR）飛秒激光器（右圖）對玻璃進(jìn)行激光加工示例。

　　近年來，一種激動人心的替代性工藝已投入工業(yè)應(yīng)用，即使用超快激光器在近紅外波長范圍內(nèi)產(chǎn)生次皮秒脈沖。在這一方法中，超短脈沖緊密聚焦于玻璃的大部分或表面，每平方厘米的功率密度超過數(shù)太瓦，引發(fā)復(fù)雜多樣的工藝，如同時(shí)多光子吸收、雪崩和碰撞電離，造成對玻璃基質(zhì)高度局域化的破壞，同時(shí)幾乎不存在能量沉積（只有幾微焦甚至更少）。由于每次脈沖所用能量較其適度，對該部位（甚至是聚焦體積）造成的熱影響可以忽略不計(jì)。這一方法通常被稱為“冷消融”，可以用來制造較為準(zhǔn)確的3D結(jié)構(gòu)。和其他微制造技術(shù)相比，飛秒激光微制造透明材料具有獨(dú)特優(yōu)勢（圖2）。

　　
　　圖2：由光纖激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖在玻璃上快速打標(biāo)。

　　首先，由于非線性吸收機(jī)制，激光感應(yīng)變型被局限于聚焦體積。使用掃描或輸樣微處理，可以實(shí)現(xiàn)幾何上難度非常大的三維結(jié)構(gòu)。其次，材料單獨(dú)的非線性吸收工藝使得在透明材料中形成光學(xué)設(shè)備等精細(xì)結(jié)構(gòu)成為可能（圖3）。

　　
　　圖3：飛秒激光器/透明材料相互作用原理圖。

　　飛秒激光微加工由一種叫做“激光感應(yīng)光學(xué)擊穿”的現(xiàn)象引起。在這一過程中，飛秒激光器的光學(xué)能量被輸送到加工過的材料上，激發(fā)出很多電子，促使電子離子化，并將能量向晶體運(yùn)輸。隨后，材料發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或相位交替，造成折射率較久性改變，甚至在焦點(diǎn)處留下一個(gè)孔。