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千百年來，玻璃已經(jīng)成為人們非常熟知的材料了，被用于種類繁多的透明或彩色產(chǎn)品中?，F(xiàn)在，玻璃的生產(chǎn)具有顯著的生態(tài)優(yōu)勢，這主要得益于其取之不盡的原材料，例如沙子、純堿、石灰石和回爐碎玻璃，它在工業(yè)國家的回收率高達80%，并且有些地方（例如德國）還有著高效的回收系統(tǒng)。由于其優(yōu)異的耐久性、機械強度和耐化學腐蝕性，玻璃這種令人著迷的材料具有非常廣泛的應用范圍（圖1），盡管聚合物在過去50年中也搶走了不少市場份額。

圖1：用超快激光器對化學鋼化玻璃進行成絲切割和表面雕刻

為了保持原有市場并開拓新的市場，玻璃制造企業(yè)的研發(fā)活動持續(xù)不斷。其中之一是朝著非常薄的玻璃（20-200μm的厚度）發(fā)展，以應用在消費類產(chǎn)品和電子產(chǎn)品領域的輕質和柔韌的產(chǎn)品中。對于較厚的玻璃，研發(fā)人員不斷嘗試提高其機械強度或進一步改進玻璃產(chǎn)品的光學性能，以滿足消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設備、光學器件以及建筑、汽車、航空航天、太陽能等應用的高要求。

當玻璃的機械性能或其他特定性能不能滿足一項應用的要求時，就要考慮其他種類的透明脆性材料了。鑒于玻璃大多數(shù)是無定形結構（如凍結熔融），替代的無機材料要么是由純晶體構成，要么是透明的陶瓷。所有這些材料都要經(jīng)過漫長的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，最終才能得到想要的形狀和屬性。直到今天，絕大多數(shù)的加工步驟仍然依賴傳統(tǒng)的機械加工技術，包括成型、劃線、打孔、研磨或拋光等工序。

用激光加工玻璃和晶體一直以來都相當具有挑戰(zhàn)性，主要是因為其在可見光和近紅外（NIR）光譜的低吸收和低的耐熱沖擊性。最突出和最“顯而易見”的應用是用CO2激光器的高吸收波長在玻璃上進行激光打標。過去幾年，在市場上出現(xiàn)了更復雜的方式來實現(xiàn)表面或玻璃的打標——使用飛秒激光器。然而，由于這些激光器的價格較高，其應用主要集中在醫(yī)療設備或高檔化妝品和香水的包裝中。

眾多選項

由于對減少加工步驟、材料浪費以及生產(chǎn)中對用水需求在不斷上升，市場不斷推動著激光制造商和系統(tǒng)集成商開發(fā)傳統(tǒng)加工技術的替代方案。在微加工領域的一些工序特別需要更加精確和水消耗較少的技術，例如切割和打孔等。過去采用的多種方法或多或少都獲得了成功，它們使激光成功應用在切割玻璃或其他透明脆性材料上。這些工序分為：

• 劃片和斷裂；

• 特定應力分布的玻璃熱分離；

• 純激光燒蝕；

• 自下而上加工；

• 用高能量密度的光學擊穿來實現(xiàn)玻璃內劃線；

• 傳統(tǒng)的熔化切割；

• 在反應體積內成絲（例如長而窄的變型）。

這些方法大多數(shù)都有優(yōu)點，但同時還有很多局限性。例如，在用超快激光進行表面劃線之后，用劃片和斷裂來機械分離截面較薄的脆性材料（厚度小于0.5mm）很有趣。但是它僅適用于直線以及低速到中速（10到100mm/s，根據(jù)厚度而定）的劃線，并且經(jīng)常會在斷裂后留下不直的邊緣，劃線邊和斷裂邊的彎曲強度也會有差異。不過，我們成功地將激光劃片和斷裂用于藍寶石劃切生產(chǎn)發(fā)光二極管（LED）中。

在激光熱分離中使用NIR固體激光器來取代標準的CO2激光器，這是基于多重激光束吸收技術（multiple laser beam absorption，簡稱為MLBA），它是從外部通過激光誘導應力分布來引導產(chǎn)生材料內部的裂縫。被分離的壁具有準完美、無微裂紋的質量，使得彎曲試驗斷裂強度接近理論玻璃水平。但是它也有其缺點：很難引導裂縫沿著輪廓按預定的曲線擴展并封閉輪廓，而其中不發(fā)生任何偏差，因為裂縫的擴展很大程度取決于玻璃中當前的張力分布。最近在這一方面的研發(fā)包括用超快激光器來實現(xiàn)類似的效果和邊緣質量，但輪廓切割仍然是一個問題。因此，熱分離有時需要與純激光燒蝕相結合，例如，生產(chǎn)手機顯示屏。在這個例子中，激光熱分離主要用于直線切割，而圓角通過高功率超快激光器的燒蝕來實現(xiàn)（圖2）。

圖2：激光加工透明材料的各種選擇，包括通過表面雕刻來對石英玻璃進行打標(a)，劃片和斷裂用于玻璃的表面雕刻(b)，藍寶石的內劃線(c)，玻璃的自下而上加工(d)，玻璃的激光成絲(e和h)、玻璃的激光熱分離(f)和藍寶石的熱熔切(g)

純激光燒蝕可以用于表面甚至整個截面來精確地去除材料，并且最終產(chǎn)生一個切口。缺點包括相對較低的燒蝕速度（特別是在厚的截面上），對于厚度不超過0.5mm的材料，切割速度通常為1-10mm/s，不可避免的錐角為10-12°，當燒蝕深度超過200μm時會產(chǎn)生非常明顯的熱影響區(qū)。純燒蝕方法也可以用于玻璃和其他透明材料的打孔，最好使用超快激光器與五軸打孔頭的組合，以實現(xiàn)垂直的孔壁。當然，在較厚（0.3-0.7mm）材料上的加工速度相當?shù)?，每個孔需要近十秒的時間。

純燒蝕過程是在樣品的上端開始進行，反之，“自下而上”加工方法是由激光從工件的底部開始瓦解透明材料，變成粉狀的材料會在重力作用下掉落，從而離開燒蝕區(qū)域。用一種連續(xù)的方法來向上移動焦點，便可以實現(xiàn)各種形狀的打孔。使用515–532nm倍頻納秒或皮秒脈沖是因為這一過程依賴于激光波長的高透明度。在3mm厚的鈉鈣玻璃上，1秒就可以打1個直徑為1mm的孔，而自由曲線輪廓的切割速度在3mm/s范圍內。除了加工速度相對較慢以外，還有其他一些缺點，例如不能用這種方法加工強化玻璃，并且邊緣會出現(xiàn)明顯的豁口（距離加工邊緣約50-10μm）。

通過使用超快脈沖帶來的高能量密度，再加上低至幾微米的深聚焦，基本上可以在任何透明介質中實現(xiàn)光學擊穿。通過快速的相對運動和焦點位置的主動控制，可以在反應體積內進行高達1000mm/s速度的劃線，例如100-200μm厚的藍寶石LED晶圓?？蓱玫牟牧虾穸茸畹蜕踔聊苓_到50μm。有必要用機械斷裂工藝來分離切下的部分。缺點包括劃線區(qū)域的高粗糙度，并且很難控制從中央的劃線向邊緣發(fā)生的破裂，這可能會導致不均勻的切割壁。

最后，還有兩種其他的加工方法可以為玻璃和其他透明脆性材料制品的大批量生產(chǎn)帶來明顯優(yōu)勢。

藍寶石及陶瓷的熔化切割

藍寶石是現(xiàn)有最硬的透明材料之一。其力學性能和光學性能使它成為各種零部件的理想選擇，如手表玻璃面、移動設備顯示屏、數(shù)碼相機保護鏡或LED載體。用固體激光器（例如燈泵固體激光器）進行藍寶石切割已經(jīng)持續(xù)很多年了，它已成為一種先進的工業(yè)過程。然而，它能實現(xiàn)的速度和切割質量有限，而運行成本相對較高。最近光纖激光器的進展把藍寶石熱切割過程的性能帶到了一個全新的水平。切割速度和質量得到了極大地提高，同時運行成本也低得多。

在熱切割過程中，激光光束通常聚焦到工件上的一個小點。工件的溫度局部升高到熔點以上。在室溫下，大約85%的激光輻射會穿過拋光的藍寶石基材，大約14%的會被反射，只有不到1%的輻射會被吸收并開始熔化。一旦藍寶石被熔化，其吸收率會急劇上升，便可以很輕松地保持在熔點溫度。因此，這一過程（內耦合相位）的開始階段是藍寶石熱切割（圖3）最關鍵的部分。因為藍寶石的熱導率比其他玻璃相材料高，所以激光強度必須非常高。通常情況下，需要每平方厘米數(shù)百兆瓦的強度來誘導熔化。由于熱導率高，熱量會迅速散失，此外其局部蓄熱或熱損傷的風險比其他玻璃材料要小。

圖3：用Rofin-Lasag LFS 150長脈沖光纖激光器來進行藍寶石熔化切割

將氣體噴流（氮、壓縮空氣或者在某些情況下使用氦）注入到激光束中，以將熔融物吹離切口。氣體的類型對切口的邊緣質量有著重要的影響（化學反應）。

例如Rofin-Lasag LFS 150這樣的長脈沖光纖激光器，已經(jīng)成為一個非常強大的替代燈泵或二極管泵浦固體激光器的選擇，因為它們可以提供高的平均功率和峰值功率，以及優(yōu)秀的光束質量。由于藍寶石和其他脆性材料是非常敏感，所以必須仔細選擇并控制好激光參數(shù)。要想避免微裂紋和豁口，在藍寶石表面的聚焦點定位是非常重要的。適當?shù)慕裹c位置能讓切口沒有任何裂縫，并且讓邊緣豁口的尺寸低于10-20μm。

由于熱切割過程本身的性質，對零部件只需切割一次就可完成。因此，切割錐度能保持最小，通常低于2°，這主要基于藍寶石的厚度。此外還能獲得出色的表面粗糙度值，Ra < 1.5μm。最大的切割速度主要取決于質量要求和零部件的復雜程度。對于厚度在6和0.2mm之間的藍寶石，切割速度在3-25mm/s之間。最小的切縫寬度甚至可以低于20μm。

用光纖激光器來熔化切割藍寶石和陶瓷，這已經(jīng)成為用于生產(chǎn)移動設備零部件（如按鈕、保護窗等）的最先進的高度自動化制造過程。相比其他切割過程，如果選擇了正確的激光參數(shù)，那性價比也會更高。

激光成絲切割

到目前為止，所描述的技術中有一種截然不同的方法可以在市場上引起巨大反響，因為它在加工速度、邊緣質量（粗糙度、平直度、表面損傷）、材料厚度范圍和材料的廣泛性方面都能獲得出色表現(xiàn)。

這種新方法就是使用具有專門屬性的超快激光器在透明介質中進行很高縱橫比的變型，即我們所說的“激光成絲”。在一張簡圖中，成絲主要取決于兩個相互競爭的過程。首先，由于非線性的光學克爾效應（optical Kerr effect），激光脈沖的強度空間分布作為聚焦透鏡，會導致光束的自聚焦和能量密度的進一步增加。在一定的峰值強度時，低密度等離子體被創(chuàng)建出來，從而降低了在光路中心的折射率，并且造成了光束的再一次散焦。通過使用一個復雜的光學結構，克爾效應自聚焦和等離子體散焦之間的動態(tài)行為會導致形成穩(wěn)定的絲，并在光學透明材料中得以延續(xù)幾個毫米的長度。通常細絲直徑在1-2mm范圍內。

為了實現(xiàn)基本上零間隙的切割或打孔線，通過工件和（或）加工頭以100-1000mm/s的速度進行相對運動，使這些激光產(chǎn)生的絲之間非常接近，這取決于材料的厚度和切割所需的幾何形狀。

Rofin SmartCleave FI成絲工藝可以對0.05-10mm厚的透明脆性材料進行任意形狀的切割，并且沒有錐度（圖4）。經(jīng)過切割后的產(chǎn)品表面干凈整潔無碎裂。通常Ra值（表面粗糙度值）小于1mm，這使得切割部分的彎曲強度非常高。在化學強化或熱強化玻璃中有足夠的內部應力水平的情況下，成絲區(qū)域會自動地分離。非強化玻璃（例如但不限于鈉鈣玻璃、硼硅玻璃和鋁硅酸鹽玻璃）、藍寶石或陶瓷可以容易地被較低的機械力或熱力分離。例如，后者可以通過CO2激光加熱過程來實現(xiàn)。

圖4：用激光成絲切割各種幾何形狀的玻璃（SmartCleave FI）

激光成絲工藝巧妙地將冗長的勞動密集型機械加工鏈簡化到只有幾個步驟。SmartCleave FI技術的應用包括用于由強化或非強化玻璃以及藍寶石制成的手機顯示屏，電視、電腦及平板電腦的顯示屏，LED和OLED產(chǎn)品以及其他微電子方面的應用，還可應用于集成電路的玻璃基板、光學器件、手表、建筑以及家用玻璃、醫(yī)療設備、半導體或陶瓷制品等領域。

圖5：Rofin的StarPico皮秒激光器用于玻璃和其他透明脆性材料的激光成絲切割以及表面雕刻

適合成絲工藝的超快激光器已經(jīng)被開發(fā)出來，它建立起的MOPA鏈可以實現(xiàn)非常高的重復頻率。這種擁有專利和獨家授權的脈沖串（burst）模式，能提供具有納秒級間隔和可以設計的功率斜坡的脈沖包。這提供了比再生放大器概念更大的靈活性，Rofin已經(jīng)將它作為設計其工業(yè)級超快激光器新家族的首選（圖5）。此外，其選擇的混合MOPA（主振功率放大器）設計集合了兩款激光器的優(yōu)點于一身。它既具備光纖激光器的堅固性、高重復率和光束質量，也擁有圓棒激光器的功率可調性。

小結

加工玻璃及其他透明脆性材料一直是激光領域的一個挑戰(zhàn)。過去采用了許多不同的工藝方法，但它們大多局限于一個相當狹窄的應用領域。其中有兩個方法對于更廣泛的工業(yè)應用有著不俗的潛力——使用長脈沖光纖激光器對藍寶石或陶瓷進行激光熔化切割，以及利用具有專門的脈沖特性的超快激光器而實現(xiàn)的激光成絲工藝。