對光學(xué)透明或半透明的脆性材料進(jìn)行激光加工在各種制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如,在智能手機、電子書、平板電腦等消費類電子設(shè)備中,需要將保護(hù)玻璃精確地切割成各種形狀。與使用長脈沖激光器相比,使用超快激光器加工透明脆性材料具有不少優(yōu)勢。當(dāng)超快激光器聚焦于玻璃內(nèi)部,只有聚焦體積鄰近的局部區(qū)域會通過非線性光來吸收激光能量。因此,加工范圍受到極大的約束,目標(biāo)的其它部分不會受到影響。雖然燒蝕飛秒加工可以滿足工業(yè)用戶的質(zhì)量要求,但其加工速度需要進(jìn)行改進(jìn)來實現(xiàn)廣泛而又經(jīng)濟劃算的工業(yè)應(yīng)用。在本文中,我們介紹了新近開發(fā)的非燒灼飛秒加工工藝“清晰造型”(ClearShape),這種工藝使用的是Spirit工業(yè)飛秒激光器。ClearShape工藝可以高質(zhì)高速地在化學(xué)強化玻璃、非強化玻璃和藍(lán)寶石等透明脆性材料中加工曲線和內(nèi)部封閉形狀。
高速切割的同時呈現(xiàn)前所未有的高品質(zhì)
脈沖持續(xù)時間在飛秒范圍內(nèi)的超快激光器已顯示了其在很多材料加工應(yīng)用中的潛能。超快激光器的獨特優(yōu)勢包括燒蝕效率高,在金屬和電介質(zhì)加工材料上燒蝕結(jié)構(gòu)的精度高,這些都已經(jīng)在多項研究中得到證明。盡管現(xiàn)有的加工質(zhì)量已經(jīng)滿足工業(yè)需求,但要滿足經(jīng)濟劃算的工業(yè)需求,其加工速度仍需要進(jìn)一步提升。例如,研究表明通過使用商用工業(yè)飛秒激光系統(tǒng)燒蝕切割0.5mm厚的化學(xué)強化玻璃,速度最高為0.2mm/s,這在工業(yè)加工中并不可行。近來,Spectra-Physics研發(fā)了一種稱作“ClearShape”的非燒蝕飛秒激光加工工藝,用以加工透明脆性材料,其切割速度大于1m/s,切割質(zhì)量上乘,這種工藝尚在申請專利之中。
飛秒激光器已經(jīng)有數(shù)十年的歷史。但他們一直是復(fù)雜昂貴的機器,需要經(jīng)常依據(jù)生產(chǎn)車間的要求進(jìn)行調(diào)整校準(zhǔn)。直到最近,Spirit工業(yè)飛秒激光器被證實是一種值得信賴的耐用激光器,可以用于微加工和醫(yī)學(xué)應(yīng)用(圖1)。
圖1:Spirit 1040-IMC 激光器(a)具備高重復(fù)率的工業(yè)飛秒激光器,平均功率高達(dá)16瓦,是進(jìn)行 ClearShape加工(b)的理想之選。
這種激光器被廣泛應(yīng)用于要求嚴(yán)格的醫(yī)療和制造領(lǐng)域。為了展示ClearShape飛秒激光器的加工能力,Spirit激光器應(yīng)用于制造化學(xué)強化大猩猩玻璃(康寧)。測試所使用的玻璃厚度為0.55mm、壓縮層深度為20μm。使用該激光器進(jìn)行ClearShape加工的切割速度最高達(dá)4m/s?;砜谛∮?μm,平均割邊粗度小于1μm(圖2)。
圖2:使用Spirit 1040-IMC激光器,運用ClearShape工藝對康寧化學(xué)強化大猩猩玻璃(厚度為0.55mm、壓縮層深度為20μm)進(jìn)行直線切割后,未進(jìn)行任何后期處理結(jié)果示例。切割速度最高達(dá)4m/s。割邊俯視圖展示了極佳的切割質(zhì)量,在表面未形成任何豁口(圖a),而割邊側(cè)視圖展示了清晰光滑的表面,粗度小于0.1μm。
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