千百年來，玻璃已經成為(wei) 人們(men) 非常熟知的材料了，被用於(yu) 種類繁多的透明或彩色產(chan) 品中。現在，玻璃的生產(chan) 具有顯著的生態優(you) 勢，這主要得益於(yu) 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(ye) 國家的回收率高達80%，並且有些地方（例如德國）還有著高效的回收係統。由於(yu) 其優(you) 異的耐久性、機械強度和耐化學腐蝕性，玻璃這種令人著迷的材料具有非常廣泛的應用範圍（圖1），盡管聚合物在過去50年中也搶走了不少市場份額。

圖1：用超快激光器對化學鋼化玻璃進行成絲(si) 切割和表麵雕刻

為(wei) 了保持原有市場並開拓新的市場，玻璃製造企業(ye) 的研發活動持續不斷。其中之一是朝著非常薄的玻璃（20-200μm的厚度）發展，以應用在消費類產(chan) 品和電子產(chan) 品領域的輕質和柔韌的產(chan) 品中。對於(yu) 較厚的玻璃，研發人員不斷嚐試提高其機械強度或進一步改進玻璃產(chan) 品的光學性能，以滿足消費類電子產(chan) 品、醫療設備、光學器件以及建築、汽車、航空航天、太陽能等應用的高要求。

當玻璃的機械性能或其他特定性能不能滿足一項應用的要求時，就要考慮其他種類的透明脆性材料了。鑒於(yu) 玻璃大多數是無定形結構（如凍結熔融），替代的無機材料要麽(me) 是由純晶體(ti) 構成，要麽(me) 是透明的陶瓷。所有這些材料都要經過漫長的生產(chan) 環節，最終才能得到想要的形狀和屬性。直到今天，絕大多數的加工步驟仍然依賴傳(chuan) 統的機械加工技術，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(ti) 一直以來都相當具有挑戰性，主要是因為(wei) 其在可見光和近紅外（NIR）光譜的低吸收和低的耐熱衝(chong) 擊性。最突出和最“顯而易見”的應用是用CO2激光器的高吸收波長在玻璃上進行激光打標。過去幾年，在市場上出現了更複雜的方式來實現表麵或玻璃的打標——使用飛秒激光器。然而，由於(yu) 這些激光器的價(jia) 格較高，其應用主要集中在醫療設備或高檔化妝品和香水的包裝中。

眾(zhong) 多選項

由於(yu) 對減少加工步驟、材料浪費以及生產(chan) 中對用水需求在不斷上升，市場不斷推動著激光製造商和係統集成商開發傳(chuan) 統加工技術的替代方案。在微加工領域的一些工序特別需要更加精確和水消耗較少的技術，例如切割和打孔等。過去采用的多種方法或多或少都獲得了成功，它們(men) 使激光成功應用在切割玻璃或其他透明脆性材料上。這些工序分為(wei) ：

• 劃片和斷裂；

• 特定應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擊穿來實現玻璃內(nei) 劃線；

• 傳(chuan) 統的熔化切割；

• 在反應體(ti) 積內(nei) 成絲(si) （例如長而窄的變型）。

這些方法大多數都有優(you) 點，但同時還有很多局限性。例如，在用超快激光進行表麵劃線之後，用劃片和斷裂來機械分離截麵較薄的脆性材料（厚度小於(yu) 0.5mm）很有趣。但是它僅(jin) 適用於(yu) 直線以及低速到中速（10到100mm/s，根據厚度而定）的劃線，並且經常會(hui) 在斷裂後留下不直的邊緣，劃線邊和斷裂邊的彎曲強度也會(hui) 有差異。不過，我們(men) 成功地將激光劃片和斷裂用於(yu) 藍寶石劃切生產(chan) 發光二極管（LED）中。

在激光熱分離中使用NIR固體(ti) 激光器來取代標準的CO2激光器，這是基於(yu) 多重激光束吸收技術（multiple laser beam absorption，簡稱為(wei) MLBA），它是從(cong) 外部通過激光誘導應力分布來引導產(chan) 生材料內(nei) 部的裂縫。被分離的壁具有準完美、無微裂紋的質量，使得彎曲試驗斷裂強度接近理論玻璃水平。但是它也有其缺點：很難引導裂縫沿著輪廓按預定的曲線擴展並封閉輪廓，而其中不發生任何偏差，因為(wei) 裂縫的擴展很大程度取決(jue) 於(yu) 玻璃中當前的張力分布。最近在這一方麵的研發包括用超快激光器來實現類似的效果和邊緣質量，但輪廓切割仍然是一個(ge) 問題。因此，熱分離有時需要與(yu) 純激光燒蝕相結合，例如，生產(chan) 手機顯示屏。在這個(ge) 例子中，激光熱分離主要用於(yu) 直線切割，而圓角通過高功率超快激光器的燒蝕來實現（圖2）。

圖2：激光加工透明材料的各種選擇，包括通過表麵雕刻來對石英玻璃進行打標(a)，劃片和斷裂用於(yu) 玻璃的表麵雕刻(b)，藍寶石的內(nei) 劃線(c)，玻璃的自下而上加工(d)，玻璃的激光成絲(si) (e和h)、玻璃的激光熱分離(f)和藍寶石的熱熔切(g)

純激光燒蝕可以用於(yu) 表麵甚至整個(ge) 截麵來精確地去除材料，並且最終產(chan) 生一個(ge) 切口。缺點包括相對較低的燒蝕速度（特別是在厚的截麵上），對於(yu) 厚度不超過0.5mm的材料，切割速度通常為(wei) 1-10mm/s，不可避免的錐角為(wei) 10-12°，當燒蝕深度超過200μm時會(hui) 產(chan) 生非常明顯的熱影響區。純燒蝕方法也可以用於(yu) 玻璃和其他透明材料的打孔，最好使用超快激光器與(yu) 五軸打孔頭的組合，以實現垂直的孔壁。當然，在較厚（0.3-0.7mm）材料上的加工速度相當低，每個(ge) 孔需要近十秒的時間。

純燒蝕過程是在樣品的上端開始進行，反之，“自下而上”加工方法是由激光從(cong) 工件的底部開始瓦解透明材料，變成粉狀的材料會(hui) 在重力作用下掉落，從(cong) 而離開燒蝕區域。用一種連續的方法來向上移動焦點，便可以實現各種形狀的打孔。使用515–532nm倍頻納秒或皮秒脈衝(chong) 是因為(wei) 這一過程依賴於(yu) 激光波長的高透明度。在3mm厚的鈉鈣玻璃上，1秒就可以打1個(ge) 直徑為(wei) 1mm的孔，而自由曲線輪廓的切割速度在3mm/s範圍內(nei) 。除了加工速度相對較慢以外，還有其他一些缺點，例如不能用這種方法加工強化玻璃，並且邊緣會(hui) 出現明顯的豁口（距離加工邊緣約50-10μm）。

通過使用超快脈衝(chong) 帶來的高能量密度，再加上低至幾微米的深聚焦，基本上可以在任何透明介質中實現光學擊穿。通過快速的相對運動和焦點位置的主動控製，可以在反應體(ti) 積內(nei) 進行高達1000mm/s速度的劃線，例如100-200μm厚的藍寶石LED晶圓。可應用的材料厚度最低甚至能達到50μm。有必要用機械斷裂工藝來分離切下的部分。缺點包括劃線區域的高粗糙度，並且很難控製從(cong) 中央的劃線向邊緣發生的破裂，這可能會(hui) 導致不均勻的切割壁。

最後，還有兩(liang) 種其他的加工方法可以為(wei) 玻璃和其他透明脆性材料製品的大批量生產(chan) 帶來明顯優(you) 勢。

藍寶石及陶瓷的熔化切割

藍寶石是現有最硬的透明材料之一。其力學性能和光學性能使它成為(wei) 各種零部件的理想選擇，如手表玻璃麵、移動設備顯示屏、數碼相機保護鏡或LED載體(ti) 。用固體(ti) 激光器（例如燈泵固體(ti) 激光器）進行藍寶石切割已經持續很多年了，它已成為(wei) 一種先進的工業(ye) 過程。然而，它能實現的速度和切割質量有限，而運行成本相對較高。最近光纖激光器的進展把藍寶石熱切割過程的性能帶到了一個(ge) 全新的水平。切割速度和質量得到了極大地提高，同時運行成本也低得多。

在熱切割過程中，激光光束通常聚焦到工件上的一個(ge) 小點。工件的溫度局部升高到熔點以上。在室溫下，大約85%的激光輻射會(hui) 穿過拋光的藍寶石基材，大約14%的會(hui) 被反射，隻有不到1%的輻射會(hui) 被吸收並開始熔化。一旦藍寶石被熔化，其吸收率會(hui) 急劇上升，便可以很輕鬆地保持在熔點溫度。因此，這一過程（內(nei) 耦合相位）的開始階段是藍寶石熱切割（圖3）最關(guan) 鍵的部分。因為(wei) 藍寶石的熱導率比其他玻璃相材料高，所以激光強度必須非常高。通常情況下，需要每平方厘米數百兆瓦的強度來誘導熔化。由於(yu) 熱導率高，熱量會(hui) 迅速散失，此外其局部蓄熱或熱損傷(shang) 的風險比其他玻璃材料要小。

圖3：用Rofin-Lasag LFS 150長脈衝(chong) 光纖激光器來進行藍寶石熔化切割

將氣體(ti) 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(ti) 的類型對切口的邊緣質量有著重要的影響（化學反應）。

例如Rofin-Lasag LFS 150這樣的長脈衝(chong) 光纖激光器，已經成為(wei) 一個(ge) 非常強大的替代燈泵或二極管泵浦固體(ti) 激光器的選擇，因為(wei) 它們(men) 可以提供高的平均功率和峰值功率，以及優(you) 秀的光束質量。由於(yu) 藍寶石和其他脆性材料是非常敏感，所以必須仔細選擇並控製好激光參數。要想避免微裂紋和豁口，在藍寶石表麵的聚焦點定位是非常重要的。適當的焦點位置能讓切口沒有任何裂縫，並且讓邊緣豁口的尺寸低於(yu) 10-20μm。

由於(yu) 熱切割過程本身的性質，對零部件隻需切割一次就可完成。因此，切割錐度能保持最小，通常低於(yu) 2°，這主要基於(yu) 藍寶石的厚度。此外還能獲得出色的表麵粗糙度值，Ra < 1.5μm。最大的切割速度主要取決(jue) 於(yu) 質量要求和零部件的複雜程度。對於(yu) 厚度在6和0.2mm之間的藍寶石，切割速度在3-25mm/s之間。最小的切縫寬度甚至可以低於(yu) 20μm。

用光纖激光器來熔化切割藍寶石和陶瓷，這已經成為(wei) 用於(yu) 生產(chan) 移動設備零部件（如按鈕、保護窗等）的最先進的高度自動化製造過程。相比其他切割過程，如果選擇了正確的激光參數，那性價(jia) 比也會(hui) 更高。

激光成絲(si) 切割

到目前為(wei) 止，所描述的技術中有一種截然不同的方法可以在市場上引起巨大反響，因為(wei) 它在加工速度、邊緣質量（粗糙度、平直度、表麵損傷(shang) ）、材料厚度範圍和材料的廣泛性方麵都能獲得出色表現。

這種新方法就是使用具有專(zhuan) 門屬性的超快激光器在透明介質中進行很高縱橫比的變型，即我們(men) 所說的“激光成絲(si) ”。在一張簡圖中，成絲(si) 主要取決(jue) 於(yu) 兩(liang) 個(ge) 相互競爭(zheng) 的過程。首先，由於(yu) 非線性的光學克爾效應（optical Kerr effect），激光脈衝(chong) 的強度空間分布作為(wei) 聚焦透鏡，會(hui) 導致光束的自聚焦和能量密度的進一步增加。在一定的峰值強度時，低密度等離子體(ti) 被創建出來，從(cong) 而降低了在光路中心的折射率，並且造成了光束的再一次散焦。通過使用一個(ge) 複雜的光學結構，克爾效應自聚焦和等離子體(ti) 散焦之間的動態行為(wei) 會(hui) 導致形成穩定的絲(si) ，並在光學透明材料中得以延續幾個(ge) 毫米的長度。通常細絲(si) 直徑在1-2mm範圍內(nei) 。

為(wei) 了實現基本上零間隙的切割或打孔線，通過工件和（或）加工頭以100-1000mm/s的速度進行相對運動，使這些激光產(chan) 生的絲(si) 之間非常接近，這取決(jue) 於(yu) 材料的厚度和切割所需的幾何形狀。

Rofin SmartCleave FI成絲(si) 工藝可以對0.05-10mm厚的透明脆性材料進行任意形狀的切割，並且沒有錐度（圖4）。經過切割後的產(chan) 品表麵幹淨整潔無碎裂。通常Ra值（表麵粗糙度值）小於(yu) 1mm，這使得切割部分的彎曲強度非常高。在化學強化或熱強化玻璃中有足夠的內(nei) 部應力水平的情況下，成絲(si) 區域會(hui) 自動地分離。非強化玻璃（例如但不限於(yu) 鈉鈣玻璃、硼矽玻璃和鋁矽酸鹽玻璃）、藍寶石或陶瓷可以容易地被較低的機械力或熱力分離。例如，後者可以通過CO2激光加熱過程來實現。

圖4：用激光成絲(si) 切割各種幾何形狀的玻璃（SmartCleave FI）

激光成絲(si) 工藝巧妙地將冗長的勞動密集型機械加工鏈簡化到隻有幾個(ge) 步驟。SmartCleave FI技術的應用包括用於(yu) 由強化或非強化玻璃以及藍寶石製成的手機顯示屏，電視、電腦及平板電腦的顯示屏，LED和OLED產(chan) 品以及其他微電子方麵的應用，還可應用於(yu) 集成電路的玻璃基板、光學器件、手表、建築以及家用玻璃、醫療設備、半導體(ti) 或陶瓷製品等領域。

圖5：Rofin的StarPico皮秒激光器用於(yu) 玻璃和其他透明脆性材料的激光成絲(si) 切割以及表麵雕刻

適合成絲(si) 工藝的超快激光器已經被開發出來，它建立起的MOPA鏈可以實現非常高的重複頻率。這種擁有專(zhuan) 利和獨家授權的脈衝(chong) 串（burst）模式，能提供具有納秒級間隔和可以設計的功率斜坡的脈衝(chong) 包。這提供了比再生放大器概念更大的靈活性，Rofin已經將它作為(wei) 設計其工業(ye) 級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）設計集合了兩(liang) 款激光器的優(you) 點於(yu) 一身。它既具備光纖激光器的堅固性、高重複率和光束質量，也擁有圓棒激光器的功率可調性。

小結

加工玻璃及其他透明脆性材料一直是激光領域的一個(ge) 挑戰。過去采用了許多不同的工藝方法，但它們(men) 大多局限於(yu) 一個(ge) 相當狹窄的應用領域。其中有兩(liang) 個(ge) 方法對於(yu) 更廣泛的工業(ye) 應用有著不俗的潛力——使用長脈衝(chong) 光纖激光器對藍寶石或陶瓷進行激光熔化切割，以及利用具有專(zhuan) 門的脈衝(chong) 特性的超快激光器而實現的激光成絲(si) 工藝。