飞秒激光器在脆性材料加工中的应用

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高质量加工玻璃和蓝宝石
对光学透明或半透明的脆性材料进行激光加工在各种制造领域有着广泛的应用。例如，在智能手机、电子书、平板电脑等消费类电子设备中，需要将保护玻璃精确地切割成各种形状。
与使用长脉冲激光器相比，使用超快激光器加工透明脆性材料具有不少优势。当超快激光器聚焦于玻璃内部，只有聚焦体积邻近的局部区域会通过非线性光来吸收激光能量。因此，加工范围受到极大的约束，目标的其它部分不会受到影响。虽然烧蚀飞秒加工可以满足工业用户的质量要求，但其加工速度需要进行改进来实现广泛而又经济划算的工业应用。在本文中，我们介绍了新近开发的非烧灼飞秒加工工艺“清晰造型”（ClearShape），这种工艺使用的是Spirit工业飞秒激光器。ClearShape工艺可以高质高速地在化学强化玻璃、非强化玻璃和蓝宝石等透明脆性材料中加工曲线和内部封闭形状。
高速切割的同时呈现前所未有的高品质
脉冲持续时间在飞秒范围内的超快激光器已显示了其在很多材料加工应用中的潜能。超快激光器的独特优势包括烧蚀效率高，在金属和电介质加工材料上烧蚀结构的精度高，这些都已经在多项研究中得到证明。
尽管现有的加工质量已经满足工业需求，但要满足经济划算的工业需求，其加工速度仍需要进一步提升。例如，研究表明通过使用商用工业飞秒激光系统烧蚀切割0.5mm厚的化学强化玻璃，速度最高为0.2mm/s，这在工业加工中并不可行。
近来，Spectra-Physics研发了一种称作“ClearShape”的非烧蚀飞秒激光加工工艺，用以加工透明脆性材料，其切割速度大于1m/s，切割质量上乘，这种工艺尚在申请专利之中。
飞秒激光器已经有数十年的历史。但他们一直是复杂昂贵的机器，需要经常依据生产车间的要求进行调整校准。
直到最近，Spirit工业飞秒激光器被证实是一种值得信赖的耐用激光器，可以用于微加工和医学应用（图1）。

图1.Spirit1040-IMC激光器（a）具备高重复率的工业飞秒激光器，平均功率高达16瓦，是进行ClearShape加工（b）的理想之选。
这种激光器被广泛应用于要求严格的医疗和制造领域。为了展示ClearShape飞秒激光器的加工能力，Spirit激光器应用于制造化学强化大猩猩玻璃（康宁）。测试所使用的玻璃厚度为0.55mm、压缩层深度为20μm。使用该激光器进行ClearShape加工的切割速度最高达4m/s。豁口小于1μm，平均割边粗度小于1μm（图2）。

图2.使用Spirit1040-IMC激光器，运用ClearShape工艺对康宁化学强化大猩猩玻璃（厚度为0.55mm、压缩层深度为20μm）进行直线切割后，未进行任何后期处理结果示例。切割速度最高达4m/s。割边俯视图展示了极佳的切割质量，在表面未形成任何豁口（图a），而割边侧视图展示了清晰光滑的表面，粗度小于0.1μm。
大于1m/s的高加工速度可以在一秒钟之内完整切割好一张显示屏为6英寸的智能手机保护玻璃。在切割步骤之后，材料会进行自切割，而无需再进行机械切割。衡量玻璃激光切割工艺的工业标准是对原切割样本进行4点弯曲测试。4点弯曲测试显示，被切割后未进行后期处理的不同种类化学强化玻璃，其弯曲强度最高可达700Mpa（图3）。

图3.使用Spirit1040-IMC激光器，运用ClearShape工艺切割后，大猩猩玻璃（厚度为0.55mm、压缩层深度为20μm）以及IOX-FS玻璃（厚度为0.55mm、压缩层深度为30μm）的4点弯曲测试结果。结果显示未进行后期处理的原切割玻璃具有极强的弯曲强度。
除了化学强化玻璃，这一工艺可以加工直线或曲线切割以及具备内部封闭形状特征的非强化玻璃，还可以加工多层玻璃复合体。此外，这一方法已被应用于加工耐划性极强的蓝宝石，它是智能手机摄影串口或手表表盖的理想材料。图4显示了从0.43mm厚蓝宝石上切割下来的直径为6.4mm的圆形窗口，正是使用这一工艺。得到的蓝宝石窗口质量上乘（几乎没有豁口），通过量高（每一个窗口所需时间不超过0.5秒）。

图4：将用于摄像头保护盖的直径为6.4mm的圆形窗口，使用Spirit1040-IMC激光器，运用ClearShape工艺从厚度为0.43mm的蓝宝石晶片上切割下来。每切割一个窗口的时间不超过0.5s。（a）显示了在激光切割后，割开前的蓝宝石串口，（b）显示了切开后的圆形窗口俯视图。
小结
尚在申请专利的ClearShape工艺已用于加工光学透明脆性材料。本文中所展示的结论是使用Spirit工业飞秒激光器在波长为1040nm条件下得出，这样避免了像可见光或紫外激光等难以操控，高谐波激光辐射也更强。结论显示这一结实可靠的飞秒激光器，配合新颖的ClearShape工艺，就产生了一个理想的解决方案，可以依照工业用户所需的加工速度，高质量加工各种透明或半透明脆性材料。