千百年來(lái)，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(shì)，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(guó)家的回收率高達(dá)80%，并且有些地方（例如德國(guó)）還有著高效的回收系統(tǒng)。由于其優(yōu)異的耐久性、機(jī)械強(qiáng)度和耐化學(xué)腐蝕性，玻璃這種令人著迷的材料具有非常廣泛的應(yīng)用范圍（圖1），盡管聚合物在過(guò)去50年中也搶走了不少市場(chǎng)份額。

圖1：用超快激光器對(duì)化學(xué)鋼化玻璃進(jìn)行成絲切割和表面雕刻

為了保持原有市場(chǎng)并開拓新的市場(chǎng)，玻璃制造企業(yè)的研發(fā)活動(dòng)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(yīng)用在消費(fèi)類產(chǎn)品和電子產(chǎn)品領(lǐng)域的輕質(zhì)和柔韌的產(chǎn)品中。對(duì)于較厚的玻璃，研發(fā)人員不斷嘗試提高其機(jī)械強(qiáng)度或進(jìn)一步改進(jìn)玻璃產(chǎn)品的光學(xué)性能，以滿足消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、光學(xué)器件以及建筑、汽車、航空航天、太陽(yáng)能等應(yīng)用的高要求。

當(dāng)玻璃的機(jī)械性能或其他特定性能不能滿足一項(xiàng)應(yīng)用的要求時(shí)，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(wú)定形結(jié)構(gòu)（如凍結(jié)熔融），替代的無(wú)機(jī)材料要么是由純晶體構(gòu)成，要么是透明的陶瓷。所有這些材料都要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)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(jī)械加工技術(shù)，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(lái)都相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)槠湓诳梢?jiàn)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(jiàn)”的應(yīng)用是用CO2激光器的高吸收波長(zhǎng)在玻璃上進(jìn)行激光打標(biāo)。過(guò)去幾年，在市場(chǎng)上出現(xiàn)了更復(fù)雜的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)表面或玻璃的打標(biāo)——使用飛秒激光器。然而，由于這些激光器的價(jià)格較高，其應(yīng)用主要集中在醫(yī)療設(shè)備或高檔化妝品和香水的包裝中。

眾多選項(xiàng)

由于對(duì)減少加工步驟、材料浪費(fèi)以及生產(chǎn)中對(duì)用水需求在不斷上升，市場(chǎng)不斷推動(dòng)著激光制造商和系統(tǒng)集成商開發(fā)傳統(tǒng)加工技術(shù)的替代方案。在微加工領(lǐng)域的一些工序特別需要更加精確和水消耗較少的技術(shù)，例如切割和打孔等。過(guò)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(yīng)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(yīng)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(xué)擊穿來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃內(nèi)劃線；

• 傳統(tǒng)的熔化切割；

• 在反應(yīng)體積內(nèi)成絲（例如長(zhǎng)而窄的變型）。

這些方法大多數(shù)都有優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)還有很多局限性。例如，在用超快激光進(jìn)行表面劃線之后，用劃片和斷裂來(lái)機(jī)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(huì)在斷裂后留下不直的邊緣，劃線邊和斷裂邊的彎曲強(qiáng)度也會(huì)有差異。不過(guò)，我們成功地將激光劃片和斷裂用于藍(lán)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(lái)取代標(biāo)準(zhǔn)的CO2激光器，這是基于多重激光束吸收技術(shù)（multiple laser beam absorption，簡(jiǎn)稱為MLBA），它是從外部通過(guò)激光誘導(dǎo)應(yīng)力分布來(lái)引導(dǎo)產(chǎn)生材料內(nèi)部的裂縫。被分離的壁具有準(zhǔn)完美、無(wú)微裂紋的質(zhì)量，使得彎曲試驗(yàn)斷裂強(qiáng)度接近理論玻璃水平。但是它也有其缺點(diǎn)：很難引導(dǎo)裂縫沿著輪廓按預(yù)定的曲線擴(kuò)展并封閉輪廓，而其中不發(fā)生任何偏差，因?yàn)榱芽p的擴(kuò)展很大程度取決于玻璃中當(dāng)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(lái)實(shí)現(xiàn)類似的效果和邊緣質(zhì)量，但輪廓切割仍然是一個(gè)問(wèn)題。因此，熱分離有時(shí)需要與純激光燒蝕相結(jié)合，例如，生產(chǎn)手機(jī)顯示屏。在這個(gè)例子中，激光熱分離主要用于直線切割，而圓角通過(guò)高功率超快激光器的燒蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖2）。

圖2：激光加工透明材料的各種選擇，包括通過(guò)表面雕刻來(lái)對(duì)石英玻璃進(jìn)行打標(biāo)(a)，劃片和斷裂用于玻璃的表面雕刻(b)，藍(lán)寶石的內(nèi)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(lán)寶石的熱熔切(g)

純激光燒蝕可以用于表面甚至整個(gè)截面來(lái)精確地去除材料，并且最終產(chǎn)生一個(gè)切口。缺點(diǎn)包括相對(duì)較低的燒蝕速度（特別是在厚的截面上），對(duì)于厚度不超過(guò)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(dāng)燒蝕深度超過(guò)200μm時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)垂直的孔壁。當(dāng)然，在較厚（0.3-0.7mm）材料上的加工速度相當(dāng)?shù)?，每個(gè)孔需要近十秒的時(shí)間。

純燒蝕過(guò)程是在樣品的上端開始進(jìn)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(huì)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(lái)向上移動(dòng)焦點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)各種形狀的打孔。使用515–532nm倍頻納秒或皮秒脈沖是因?yàn)檫@一過(guò)程依賴于激光波長(zhǎng)的高透明度。在3mm厚的鈉鈣玻璃上，1秒就可以打1個(gè)直徑為1mm的孔，而自由曲線輪廓的切割速度在3mm/s范圍內(nèi)。除了加工速度相對(duì)較慢以外，還有其他一些缺點(diǎn)，例如不能用這種方法加工強(qiáng)化玻璃，并且邊緣會(huì)出現(xiàn)明顯的豁口（距離加工邊緣約50-10μm）。

通過(guò)使用超快脈沖帶來(lái)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(zhì)中實(shí)現(xiàn)光學(xué)擊穿。通過(guò)快速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和焦點(diǎn)位置的主動(dòng)控制，可以在反應(yīng)體積內(nèi)進(jìn)行高達(dá)1000mm/s速度的劃線，例如100-200μm厚的藍(lán)寶石LED晶圓?？蓱?yīng)用的材料厚度最低甚至能達(dá)到50μm。有必要用機(jī)械斷裂工藝來(lái)分離切下的部分。缺點(diǎn)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(huì)導(dǎo)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(lái)明顯優(yōu)勢(shì)。

藍(lán)寶石及陶瓷的熔化切割

藍(lán)寶石是現(xiàn)有最硬的透明材料之一。其力學(xué)性能和光學(xué)性能使它成為各種零部件的理想選擇，如手表玻璃面、移動(dòng)設(shè)備顯示屏、數(shù)碼相機(jī)保護(hù)鏡或LED載體。用固體激光器（例如燈泵固體激光器）進(jìn)行藍(lán)寶石切割已經(jīng)持續(xù)很多年了，它已成為一種先進(jìn)的工業(yè)過(guò)程。然而，它能實(shí)現(xiàn)的速度和切割質(zhì)量有限，而運(yùn)行成本相對(duì)較高。最近光纖激光器的進(jìn)展把藍(lán)寶石熱切割過(guò)程的性能帶到了一個(gè)全新的水平。切割速度和質(zhì)量得到了極大地提高，同時(shí)運(yùn)行成本也低得多。

在熱切割過(guò)程中，激光光束通常聚焦到工件上的一個(gè)小點(diǎn)。工件的溫度局部升高到熔點(diǎn)以上。在室溫下，大約85%的激光輻射會(huì)穿過(guò)拋光的藍(lán)寶石基材，大約14%的會(huì)被反射，只有不到1%的輻射會(huì)被吸收并開始熔化。一旦藍(lán)寶石被熔化，其吸收率會(huì)急劇上升，便可以很輕松地保持在熔點(diǎn)溫度。因此，這一過(guò)程（內(nèi)耦合相位）的開始階段是藍(lán)寶石熱切割（圖3）最關(guān)鍵的部分。因?yàn)樗{(lán)寶石的熱導(dǎo)率比其他玻璃相材料高，所以激光強(qiáng)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(qiáng)度來(lái)誘導(dǎo)熔化。由于熱導(dǎo)率高，熱量會(huì)迅速散失，此外其局部蓄熱或熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)比其他玻璃材料要小。

圖3：用Rofin-Lasag LFS 150長(zhǎng)脈沖光纖激光器來(lái)進(jìn)行藍(lán)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(duì)切口的邊緣質(zhì)量有著重要的影響（化學(xué)反應(yīng)）。

例如Rofin-Lasag LFS 150這樣的長(zhǎng)脈沖光纖激光器，已經(jīng)成為一個(gè)非常強(qiáng)大的替代燈泵或二極管泵浦固體激光器的選擇，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└叩钠骄β屎头逯倒β?，以及?yōu)秀的光束質(zhì)量。由于藍(lán)寶石和其他脆性材料是非常敏感，所以必須仔細(xì)選擇并控制好激光參數(shù)。要想避免微裂紋和豁口，在藍(lán)寶石表面的聚焦點(diǎn)定位是非常重要的。適當(dāng)?shù)慕裹c(diǎn)位置能讓切口沒(méi)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(guò)程本身的性質(zhì)，對(duì)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(lán)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(zhì)量要求和零部件的復(fù)雜程度。對(duì)于厚度在6和0.2mm之間的藍(lán)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(lái)熔化切割藍(lán)寶石和陶瓷，這已經(jīng)成為用于生產(chǎn)移動(dòng)設(shè)備零部件（如按鈕、保護(hù)窗等）的最先進(jìn)的高度自動(dòng)化制造過(guò)程。相比其他切割過(guò)程，如果選擇了正確的激光參數(shù)，那性價(jià)比也會(huì)更高。

激光成絲切割

到目前為止，所描述的技術(shù)中有一種截然不同的方法可以在市場(chǎng)上引起巨大反響，因?yàn)樗诩庸に俣取⑦吘壻|(zhì)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(zhì)中進(jìn)行很高縱橫比的變型，即我們所說(shuō)的“激光成絲”。在一張簡(jiǎn)圖中，成絲主要取決于兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程。首先，由于非線性的光學(xué)克爾效應(yīng)（optical Kerr effect），激光脈沖的強(qiáng)度空間分布作為聚焦透鏡，會(huì)導(dǎo)致光束的自聚焦和能量密度的進(jìn)一步增加。在一定的峰值強(qiáng)度時(shí)，低密度等離子體被創(chuàng)建出來(lái)，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(guò)使用一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)，克爾效應(yīng)自聚焦和等離子體散焦之間的動(dòng)態(tài)行為會(huì)導(dǎo)致形成穩(wěn)定的絲，并在光學(xué)透明材料中得以延續(xù)幾個(gè)毫米的長(zhǎng)度。通常細(xì)絲直徑在1-2mm范圍內(nèi)。

為了實(shí)現(xiàn)基本上零間隙的切割或打孔線，通過(guò)工件和（或）加工頭以100-1000mm/s的速度進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(duì)0.05-10mm厚的透明脆性材料進(jìn)行任意形狀的切割，并且沒(méi)有錐度（圖4）。經(jīng)過(guò)切割后的產(chǎn)品表面干凈整潔無(wú)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(qiáng)度非常高。在化學(xué)強(qiáng)化或熱強(qiáng)化玻璃中有足夠的內(nèi)部應(yīng)力水平的情況下，成絲區(qū)域會(huì)自動(dòng)地分離。非強(qiáng)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(lán)寶石或陶瓷可以容易地被較低的機(jī)械力或熱力分離。例如，后者可以通過(guò)CO2激光加熱過(guò)程來(lái)實(shí)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(zhǎng)的勞動(dòng)密集型機(jī)械加工鏈簡(jiǎn)化到只有幾個(gè)步驟。SmartCleave FI技術(shù)的應(yīng)用包括用于由強(qiáng)化或非強(qiáng)化玻璃以及藍(lán)寶石制成的手機(jī)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(yīng)用，還可應(yīng)用于集成電路的玻璃基板、光學(xué)器件、手表、建筑以及家用玻璃、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體或陶瓷制品等領(lǐng)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(lái)，它建立起的MOPA鏈可以實(shí)現(xiàn)非常高的重復(fù)頻率。這種擁有專利和獨(dú)家授權(quán)的脈沖串（burst）模式，能提供具有納秒級(jí)間隔和可以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)其工業(yè)級(jí)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(shè)計(jì)集合了兩款激光器的優(yōu)點(diǎn)于一身。它既具備光纖激光器的堅(jiān)固性、高重復(fù)率和光束質(zhì)量，也擁有圓棒激光器的功率可調(diào)性。

小結(jié)

加工玻璃及其他透明脆性材料一直是激光領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)。過(guò)去采用了許多不同的工藝方法，但它們大多局限于一個(gè)相當(dāng)狹窄的應(yīng)用領(lǐng)域。其中有兩個(gè)方法對(duì)于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用有著不俗的潛力——使用長(zhǎng)脈沖光纖激光器對(duì)藍(lán)寶石或陶瓷進(jìn)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(shí)現(xiàn)的激光成絲工藝。