超快激光在玻璃加工方面的應(yīng)用

【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。

　　通常一個小裂紋就會造成玻璃破碎。一旦微裂紋在玻璃的某個部位形成，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)提供了加工玻璃的準(zhǔn)確方法。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)（如下圖），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。

　　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。在測試中，使用綠光皮秒激光器，"CorningEagle XG"的彎曲強(qiáng)度達(dá)280兆帕。使用紅外皮秒激光器的測試結(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這種機(jī)會尤為明顯。由于等離子體屏蔽的原因，鋼材的燒蝕效率在5 J/cm2的脈沖能量密度時開始降低，而玻璃允許更高的脈沖能量密度，直到加工效率達(dá)到很高。因此當(dāng)加工玻璃時，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，人們可能會使用超薄玻璃。50微米厚的玻璃處理起來更微妙，對于機(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，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，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的熱影響，從而產(chǎn)生較好的切割邊緣質(zhì)量。

　　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很好的。例如，將脈沖能量為250微焦的激光光束分成兩個125微焦的單獨(dú)激光光束同時加工兩個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。