高質(zhì)量加工玻璃和藍(lán)寶石

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(jī)、電子書、平板電腦等消費(fèi)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(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)廣泛而又經(jīng)濟(jì)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(qiáng)化玻璃、非強(qiáng)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(shí)呈現(xiàn)前所未有的高品質(zhì)

脈沖持續(xù)時(shí)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(dú)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(xiàng)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(jì)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(qiáng)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(jī)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(shí)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(qiáng)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∮?/span>1μm，平均割邊粗度小于1μm（圖2）。

圖2：使用Spirit 1040-IMC激光器，運(yùn)用ClearShape工藝對康寧化學(xué)強(qiáng)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。