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，在整個可視範圍內甚至更遠，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。從熱力和電力方麵來看，玻璃是一種絕佳的絕緣體。從物理性能來看，玻璃表麵堅硬，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麵臨著更大挑戰，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。玻璃製造可以追溯到公元前3500年左右。人工製造玻璃大概首先出現在美索不達米亞和埃及，首先被用來製作珠寶，隨後被用來製作壺。之後，加工工藝不斷改進，從手工加工演變為現今的高科技工業工藝，出現了眾多玻璃類別和應用。盡管玻璃製造曆史悠久，但近幾十年來由於玻璃的易碎性能，對於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。另外一方麵，不斷發展的技術使其可製成結構更小，且形狀各異的玻璃來應用於不同領域。傳統的精確方法，如光刻和電子束光刻等來加工玻璃，但這些技術過於昂貴，不易操作，特別是大麵積使用。現今，激光技術提供了加工玻璃的最精確方法。最直截了當的方法就是在波長範圍內利用單光子吸收，玻璃在紅外線或紫外線下不會高度透明。

 

    但是，直接吸收會產生一些問題，包括不良熱影響以及形成熱影響區，這會產生微裂紋，嚴重危害玻璃的機械穩定性。此外，在玻璃表麵下方進行加工，製造三維結構，需要使用高透明度波長。雖然納秒脈衝激光器可以用於在玻璃中製造次表層結構（如圖1），玻璃的物理機製會對微處理的精細程度造成限製，也會產生微裂紋。

 

 

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應用，即使用超快激光器在近紅外波長範圍內產生次皮秒脈衝。在這一方法中，超短脈衝緊密聚焦於玻璃的大部分或表麵，每平方厘米的功率密度超過數太瓦，引發複雜多樣的工藝，如同時多光子吸收、雪崩和碰撞電離，造成對玻璃基質高度局域化的破壞，同時幾乎不存在能量沉積（隻有幾微焦甚至更少）。由於每次脈衝所用能量極其適度，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”，可以用來製造極為精確的3D結構。和其他微製造技術相比，飛秒激光微製造透明材料具有獨特優勢（圖2）。

 

 

 圖2：由光纖激光器產生的飛秒脈衝在玻璃上快速打標。

 

      首先，由於非線性吸收機製，激光感應變型被局限於聚焦體積。使用掃描或輸樣微處理，可以實現幾何上難度較大的三維結構。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備等精細結構成為可能（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，激發出很多電子，促使電子離子化，並將能量向晶體運輸。隨後，材料發生結構變化或相位交替，造成折射率永久性改變，甚至在焦點處留下一個孔。

 

     要理解為什麽超快脈衝最適用於微加工，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，但飛秒脈衝激光器和持續時間超過皮秒的脈衝激光器所產生的損害存在重大差異。在大多數材料中，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。而對於飛秒激光器脈衝來說，曝光時間要低於這一限定。因此，由於飛秒脈衝不到1皮秒就會中止，離子不會被電子熱激發。焦點區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生，並不需要缺陷電子。由於非線性激發的重複性和限製，飛秒激光微加工可以用於實際用途，而其他方法則行不通。

 

     由於這一加工所需脈衝能量相對較高，所以直到最近，使用超短脈衝加工玻璃雖為人熟知卻並未得到廣泛應用。

 

      能提供這一級別脈衝能量的激光器隻有固體激光器，其操作相對複雜，且價格昂貴。在過去的幾年光纖激光器技術不斷進步，已能夠提供短脈衝和高質量光束，成為固體激光器的重要替代產品。

 

     此外，光纖激光器更為劃算、緊湊、可靠，而且由於其不需要校準，因此也更易於操作。微焦耳範圍內的超快光纖激光器設計人性化，價格便宜，其發展正將這一技術從利基應用轉變為一種被廣泛采用的工業加工工具（圖4）。應用範圍包括產品認證，玻璃切割，以及次表麵光波導等。

 

圖4：飛秒光纖激光器切割玻璃示例。

 

      在超短脈衝作用下對金屬進行表麵紋理化和粗化處理，結果顯示，其對工藝的控製和精度都非常滿意，能粗化處理生物醫學植入片來增加細胞粘合度，能夠對LEDs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麵進行紋理化處理，其精度適中，對式樣有一定的限製，而且通常會產生細微裂紋，降低了成品玻璃的耐用性。

 

     因此，光纖激光器在玻璃表麵紋理化處理中有著相當重要的作用，特別是像製造疏水性/親水性玻璃表麵等應用。近來，使用超短脈衝激光器對玻璃表麵加工能夠達到同樣甚至更好的潤濕性，其表麵加工應用前景一片光明。他們能全麵控製表麵加工的流程模式，使其得以最優化液態玻璃相互作用。超短脈衝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將兩塊玻璃粘貼在一起。這一方法最大的缺陷在於所使用的大多數化學物質會釋放出一些氣體，從而造成玻璃間的粘結力量不斷減弱。另外一種方法是將玻璃表麵拋光後，將兩塊玻璃放在一塊，然後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。由於玻璃的熱膨脹係數不同，經過熱處理後玻璃間的粘結力量也會變弱。近來，高重複頻率（兆赫）和高脈衝能量（微焦耳）超短脈衝激光器已開始應用於玻璃焊接。當超短脈衝聚焦於需要焊接的兩塊玻璃的交會處，每塊玻璃都會溶化一小塊，然後在一塊冷卻，從而形成強大的粘結力量。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力量（圖5）。

 

 

圖5：使用飛秒脈衝對兩塊玻璃進行激光粘結。

 

     在光學和光子學行業中的另外一個重要應用，也許隻能利用超短脈衝激光器來完成在玻璃內部刻寫波導，從而以三維的方式引導光。當超短脈衝聚焦於玻璃內部，在聚焦體積上發生折射率的變化，通常是折射率變大。通過使用位移平台來掃描玻璃，折射率增大的區域可以用於形成路徑。和光纖工作原理類似，光可以使用全內置反射機製，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，在玻璃內部製造光柵或棱鏡結構等。因此，在玻璃內部進行超短激光波導刻寫（圖6）極為重要，因為光電技術有望主導通信、生物醫藥和傳感器技術等主要由電子技術支撐的技術。

 

 

 圖6：直觀展示在玻璃內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構製造成為可能，而且比光刻更為簡便。飛秒微加工領域正飛速發展，這一技術有望突破微加工領域。這是一種為激光業開創新領域和新市場的技術，並將推動頂尖應用的發展，以不同的方式影響未來的技術。