超快激光在藍(lán)寶石玻璃加工方面應(yīng)用強(qiáng)大

【中玻網(wǎng)】近年來，一種激動(dòng)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(duì)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(duì)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(shì)。
　　
　　加工強(qiáng)化玻璃
　　
　　智能手機(jī)的興起加大了顯示屏的重要性。智能觸摸顯示屏（觸摸屏）已經(jīng)超越了手機(jī)鍵盤成為較主要的用戶界面。典型的智能手機(jī)包括四塊玻璃平板：兩塊在顯示屏上，容納薄膜晶體管和液晶材料；一塊提供觸摸功能；還有一塊化學(xué)鋼化玻璃蓋板保護(hù)底層免于劃傷，沖擊損傷和臟物。由于用戶想要輕便、纖薄的智能手機(jī)，更薄的玻璃面板被使用。典型的玻璃顯示面板為0.3毫米厚；化學(xué)鋼化玻璃蓋板0.7毫米厚。這使得傳統(tǒng)的切割工藝達(dá)到了較限。切削輪子已經(jīng)不適合加工這種玻璃，因?yàn)樗麄兌冀?jīng)過特殊的化學(xué)強(qiáng)化處理，而銑削加工則需要大量研磨和拋光上的返工工作。
　　
　　紅外和綠光波長的超短脈沖激光器正好可用于這種材料的加工。皮秒脈沖能減少裂縫的產(chǎn)生，切割質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的銑削加工。激光光束多次掃過被加工材料來實(shí)現(xiàn)切割。速度，邊緣質(zhì)量和邊緣的角度可以由加工策略來決定。相對(duì)于其他的激光工藝，燒蝕工藝更穩(wěn)妥：例如，輕微變形的玻璃并不影響加工結(jié)果。在測(cè)試中，使用綠光皮秒激光器，"CorningEagleXG"的彎曲強(qiáng)度達(dá)280兆帕。使用紅外皮秒激光器的測(cè)試結(jié)果表明速度增加三倍，邊緣的彎曲強(qiáng)度略低。
　　
　　更強(qiáng)大的皮秒激光器使我們有更大的機(jī)會(huì)來提高加工玻璃的效率。我們比較鋼材和玻璃的燒蝕速度以及加工效率時(shí)這種機(jī)會(huì)尤為明顯。（圖5）由于等離子體屏蔽的原因，鋼材的燒蝕效率在5J/cm2的脈沖能量密度時(shí)開始降低，而玻璃允許更高的脈沖能量密度，直到加工效率達(dá)到較高。因此當(dāng)加工玻璃時(shí)，更高的脈沖能量可以轉(zhuǎn)化為更高的燒蝕效率。
　　
　　當(dāng)考慮進(jìn)一步降低玻璃的重量和厚度時(shí)，人們可能會(huì)使用超薄玻璃。50微米厚的玻璃處理起來更微妙，對(duì)于機(jī)械加工也更敏感。事實(shí)上，這樣的玻璃不用激光來加工已經(jīng)是不可能了。
　　
　　適用于任何棘手情況的藍(lán)寶石
　　
　　藍(lán)寶石是地球上僅次于鉆石第二堅(jiān)硬的材料，很難使用機(jī)械的方法來加工。使用激光器來切割藍(lán)寶石是當(dāng)今LED制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)加工方法，藍(lán)寶石在這里用作基板襯底。由于其抗劃傷性和透光性，藍(lán)寶石會(huì)用來生產(chǎn)手表和光學(xué)儀器的保護(hù)鏡面。
　　
　　當(dāng)加工細(xì)小的輪廓時(shí)，超短脈沖激光器可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的加工。例如當(dāng)切割圓形部件和鉆微孔時(shí)，柔性的輪廓加工可以通過高速掃描器來實(shí)現(xiàn)。超短脈沖除去了加工時(shí)的熱影響，從而產(chǎn)生較好的切割邊緣質(zhì)量。圖6顯示了0.4毫米厚的圓形、正方形和三角形輪廓，使用TruMicro5070紅外皮秒激光切從藍(lán)寶石上切割下來。較小輪廓尺寸是0.2毫米。與超短脈沖相結(jié)合的智能加工方式可以避免形成缺口及開裂。經(jīng)驗(yàn)表明100微焦左右的脈沖能量是較佳的。例如，將脈沖能量為250微焦的激光光束分成兩個(gè)125微焦的單獨(dú)激光光束同時(shí)加工兩個(gè)零部件就可以獲得更高的產(chǎn)量。優(yōu)越的加工質(zhì)量取決于加工方法、除塵和工件夾具之間的適宜的配合。