玻璃具有其他材料所不具備的獨特性能。它擁有極好的光學性能，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，都具有較高的透明度。從化學性能來說，玻璃是一種抗腐蝕的惰性材料，可以作為很多化學品的容器。從熱力和電力方面來看，玻璃是一種絕佳的絕緣體。從物理性能來看，玻璃表面堅硬，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)，例如一旦玻璃具備極好的抗拉強度，就變得易碎。

 

    因此，處理玻璃的方法和其應用都需要從長計議。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，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用于不同領(lǐng)域。傳統(tǒng)的精確方法，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)提供了加工玻璃的最精確方法。最直截了當?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，嚴重危害玻璃的機械穩(wěn)定性。此外，在玻璃表面下方進行加工，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），玻璃的物理機制會對微處理的精細程度造成限制，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極其適度，對該部位（甚至是聚焦體積）造成的熱影響可以忽略不計。這一方法通常被稱為“冷消融”，可以用來制造極為精確的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。

 

      首先，由于非線性吸收機制，激光感應變型被局限于聚焦體積。使用掃描或輸樣微處理，可以實現(xiàn)幾何上難度較大的三維結(jié)構(gòu)。其次，材料獨立的非線性吸收工藝使得在透明材料中形成光學設(shè)備等精細結(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“激光感應光學擊穿”的現(xiàn)象引起。在這一過程中，飛秒激光器的光學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，并將能量向晶體運輸。隨后，材料發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或相位交替，造成折射率永久性改變，甚至在焦點處留下一個孔。

 

     要理解為什么超快脈沖最適用于微加工，需要從材料加工的時間尺度這個角度來看待。大家都了解激光器在加工過程中對材料造成的損害，但飛秒脈沖激光器和持續(xù)時間超過皮秒的脈沖激光器所產(chǎn)生的損害存在重大差異。在大多數(shù)材料中，聲子是熱效應最主要的原因，它至少需要1皮秒的激光曝光來激發(fā)。而對于飛秒激光器脈沖來說，曝光時間要低于這一限定。因此，由于飛秒脈沖不到1皮秒就會中止，離子不會被電子熱激發(fā)。焦點區(qū)外的導熱被降到最小，從而增加加工的精度。此外，飛秒激光材料加工具有高準確性，因為造成吸收效應的種子電子是通過非線性電離化產(chǎn)生，并不需要缺陷電子。由于非線性激發(fā)的重復性和限制，飛秒激光微加工可以用于實際用途，而其他方法則行不通。

 

     由于這一加工所需脈沖能量相對較高，所以直到最近，使用超短脈沖加工玻璃雖為人熟知卻并未得到廣泛應用。

 

      能提供這一級別脈沖能量的激光器只有固體激光器，其操作相對復雜，且價格昂貴。在過去的幾年光纖激光器技術(shù)不斷進步，已能夠提供短脈沖和高質(zhì)量光束，成為固體激光器的重要替代產(chǎn)品。

 

     此外，光纖激光器更為劃算、緊湊、可靠，而且由于其不需要校準，因此也更易于操作。微焦耳范圍內(nèi)的超快光纖激光器設(shè)計人性化，價格便宜，其發(fā)展正將這一技術(shù)從利基應用轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N被廣泛采用的工業(yè)加工工具（圖4）。應用范圍包括產(chǎn)品認證，玻璃切割，以及次表面光波導等。

 

圖4：飛秒光纖激光器切割玻璃示例。

 

      在超短脈沖作用下對金屬進行表面紋理化和粗化處理，結(jié)果顯示，其對工藝的控制和精度都非常滿意，能粗化處理生物醫(yī)學植入片來增加細胞粘合度，能夠?qū)EDs和太陽能電池進行薄膜蝕刻，使其增效。使用噴砂處理和化學蝕刻等常用方式對玻璃表面進行紋理化處理，其精度適中，對式樣有一定的限制，而且通常會產(chǎn)生細微裂紋，降低了成品玻璃的耐用性。

 

     因此，光纖激光器在玻璃表面紋理化處理中有著相當重要的作用，特別是像制造疏水性/親水性玻璃表面等應用。近來，使用超短脈沖激光器對玻璃表面加工能夠達到同樣甚至更好的潤濕性，其表面加工應用前景一片光明。他們能全面控制表面加工的流程模式，使其得以最優(yōu)化液態(tài)玻璃相互作用。超短脈沖光纖激光器的另外一種極具前景的應用是焊接玻璃。最為廣泛的應用方法是使用化學物質(zhì)將兩塊玻璃粘貼在一起。這一方法最大的缺陷在于所使用的大多數(shù)化學物質(zhì)會釋放出一些氣體，從而造成玻璃間的粘結(jié)力量不斷減弱。另外一種方法是將玻璃表面拋光后，將兩塊玻璃放在一塊，然后通過熱處理粘貼在一起。這一方法也存在缺陷，特別是對兩種不同類型的玻璃進行粘貼時。由于玻璃的熱膨脹系數(shù)不同，經(jīng)過熱處理后玻璃間的粘結(jié)力量也會變?nèi)?。近來，高重復頻率（兆赫）和高脈沖能量（微焦耳）超短脈沖激光器已開始應用于玻璃焊接。當超短脈沖聚焦于需要焊接的兩塊玻璃的交會處，每塊玻璃都會溶化一小塊，然后在一塊冷卻，從而形成強大的粘結(jié)力量。正確地選擇最佳的超短激光器進行焊接，可獲得和玻璃本身一樣的粘結(jié)力量（圖5）。

 

 

圖5：使用飛秒脈沖對兩塊玻璃進行激光粘結(jié)。

 

     在光學和光子學行業(yè)中的另外一個重要應用，也許只能利用超短脈沖激光器來完成在玻璃內(nèi)部刻寫波導，從而以三維的方式引導光。當超短脈沖聚焦于玻璃內(nèi)部，在聚焦體積上發(fā)生折射率的變化，通常是折射率變大。通過使用位移平臺來掃描玻璃，折射率增大的區(qū)域可以用于形成路徑。和光纖工作原理類似，光可以使用全內(nèi)置反射機制，通過這些路徑進行引導。

 

     使用這一方法可以用三維光子來將光從一個地方引導和傳遞到另一個地方，組合或分離不同波長的光，在玻璃內(nèi)部制造光柵或棱鏡結(jié)構(gòu)等。因此，在玻璃內(nèi)部進行超短激光波導刻寫（圖6）極為重要，因為光電技術(shù)有望主導通信、生物醫(yī)藥和傳感器技術(shù)等主要由電子技術(shù)支撐的技術(shù)。

 

 

 圖6：直觀展示在玻璃內(nèi)部刻寫波導的原理圖。

 

      飛秒激光微加工為三維、材料和亞波長精確加工提供了獨特的性能，也讓在玻璃等透明材料中進行三維結(jié)構(gòu)制造成為可能，而且比光刻更為簡便。飛秒微加工領(lǐng)域正飛速發(fā)展，這一技術(shù)有望突破微加工領(lǐng)域。這是一種為激光業(yè)開創(chuàng)新領(lǐng)域和新市場的技術(shù)，并將推動頂尖應用的發(fā)展，以不同的方式影響未來的技術(shù)。