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玻璃材料因其獨(dú)特的理化性質(zhì)(良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)特性、透光性和生物相容性等)廣泛應(yīng)用于傳感器、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、光通信及光存儲(chǔ)設(shè)備等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件制造。但由于其硬脆性的特點(diǎn)，采用常規(guī)的機(jī)械或化學(xué)加工方法在進(jìn)行刻蝕、制孔、焊接等加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋破損和各種缺陷，且加工效率低下。激光技術(shù)作為一種新型的特種加工方法，可將高能脈沖精準(zhǔn)聚焦到待加工玻璃材料表面或內(nèi)部，使材料瞬間熔化或氣化，實(shí)現(xiàn)非接觸加工。與常規(guī)加工方式相比，具有非接觸、加工效率及精度高、柔性高等優(yōu)點(diǎn)，在玻璃材料加工領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用與研究。本文中從激光加工玻璃的2種典型工藝(激光刻蝕、激光打孔)入手，總結(jié)歸納了各種激光加工玻璃工藝基本原理以及研究進(jìn)展，旨在推動(dòng)激光加工技術(shù)在玻璃加工領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，為進(jìn)一步的研究和發(fā)展方向提供有價(jià)值的參考。

1.   激光刻蝕

與傳統(tǒng)刻蝕方法相比，激光刻蝕具有非接觸、柔性化、加工速度快、無(wú)噪聲、可聚焦到激光波長(zhǎng)級(jí)的非常小光斑等優(yōu)點(diǎn)。目前，常用的激光刻蝕方法有：激光直寫(xiě)刻蝕法、激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕法、激光誘導(dǎo)背部濕法刻蝕。

1.1   激光直寫(xiě)刻蝕

激光直寫(xiě)刻蝕玻璃方法，按激光波長(zhǎng)不同主要分為紅外和紫外激光刻蝕法，而按照激光脈寬不同則可分為：連續(xù)激光刻蝕；納秒、皮秒及飛秒激光刻蝕。YANG等人使用248nm深紫外準(zhǔn)分子激光在石英玻璃表面刻蝕微通道，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光能量密度是決定石英玻璃發(fā)生刻蝕及裂損的主要因素，無(wú)裂損刻蝕石英玻璃的激光能量密度閾值區(qū)間應(yīng)在16J/cm2~30J/cm2；而掃描次數(shù)的增加、重復(fù)頻率和微通道深度的增大也會(huì)加劇微通道的裂損程度，最后通過(guò)加工參量的優(yōu)化(激光能量密度23.5J/cm2，圓弧段重頻為50Hz，直線段重頻為40Hz，掃描1次)實(shí)現(xiàn)了寬度小于100μm的直線型(深度不大于50μm)和圓弧型微通道(深度不大于28.5μm)的無(wú)裂損刻蝕。LI等人利用波長(zhǎng)為355nm, 脈寬為10ns~25ns的全固態(tài)紫外激光器直寫(xiě)刻蝕BF33硼硅玻璃微通道，試驗(yàn)中采用單一變量法探究激光能量密度、重復(fù)頻率、掃描速率等參量對(duì)刻蝕效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光能量密度過(guò)大時(shí)，玻璃易發(fā)生嚴(yán)重崩邊裂損現(xiàn)象，刻蝕深度減小；而隨著重復(fù)頻率的減小，通道碎裂現(xiàn)象減輕，刻蝕深度增大。YU等人采用波長(zhǎng)為1030nm、脈寬和重復(fù)頻率分別為290fs, 50kHz的飛秒激光器在石英玻璃樣品上刻蝕線寬小于1μm的凹槽圖案以制備亞微米金屬線，研究了不同脈沖能量激光與燒蝕凹槽及機(jī)械拋光后的金屬線的線寬之間的關(guān)系，如圖 1所示。結(jié)果表明，當(dāng)脈沖能量在0.18μJ以下時(shí)，凹槽線寬已降低至1μm以下，最終在石英玻璃上制備出多種不同圖案且線寬穩(wěn)定控制在0.8μm左右的凹槽。

圖 1  不同脈沖能量激光燒蝕凹槽及機(jī)械拋光后金屬線的光學(xué)顯微圖

1.2   激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕與激光背部濕法刻蝕

如圖 2所示，激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕和激光背部濕法刻蝕的實(shí)質(zhì)都是利用激光透過(guò)玻璃后與靶材互相作用，產(chǎn)生等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)石英的刻蝕，從而克服玻璃無(wú)法直接吸收激光脈沖的缺陷，在玻璃的底面實(shí)現(xiàn)材料去除。兩者的主要區(qū)別在于激光誘導(dǎo)等離子刻蝕的靶材主要為不銹鋼、銅等金屬材料，而激光背部濕法刻蝕則常用甲苯、丙酮等有機(jī)溶劑作為激光吸收介質(zhì)。

圖 2  激光誘導(dǎo)等離子刻蝕和激光背部濕法刻蝕示意圖

a—激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕示意圖b—激光背部濕法刻蝕示意圖

在激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕過(guò)程中，靶材的選取是刻蝕的關(guān)鍵。只有選取在相應(yīng)激光波長(zhǎng)下具有較高吸收率的金屬材料，才能保證靶材表面形成足夠強(qiáng)大的等離子體并最終形成高速等離子射流對(duì)玻璃材料進(jìn)行刻蝕。HAMDANI等人利用波長(zhǎng)為1064nm紅外激光在銹鋼、銀、銅靶材料上誘導(dǎo)等離子體刻蝕石英玻璃，結(jié)果表明，利用不銹鋼作為靶材的去蝕率且3種靶材的去蝕率大小排序?yàn)椋翰讳P鋼>銅>銀，這是由于黃銅、銀靶材對(duì)于1064nm波長(zhǎng)激光反射率較高，其中銀靶材對(duì)激光的吸收率很低(約為2 %)，無(wú)法形成足夠強(qiáng)度的等離子體進(jìn)行刻蝕。RAHMAN等人采用波長(zhǎng)為1064nm, 脈沖寬度為6ns的調(diào)Q Nd∶YAG激光器，以鋁作靶材研究激光能量密度(27J/cm2~870J/cm2)和靶-基材料間的距離(0μm~600μm)對(duì)鈉鈣玻璃上加工出的微坑直徑和深度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。結(jié)果表明，微坑的深度隨著激光能量密度的增大而增大，并逐漸趨于飽和，而微坑的直徑和深度則隨著靶-基距離的增加而線性減小。SARMA等人基于物理分析和有限元法建立了以鋁為靶材激光誘導(dǎo)等離子刻蝕加工鈉鈣玻璃的2維軸對(duì)稱(chēng)非線性瞬態(tài)傳熱模型，如圖 4所示，并利用該模型仿真激光誘導(dǎo)等離子刻蝕過(guò)程的溫度場(chǎng)變化以及激光參量變化對(duì)刻蝕深度的影響，之后利用Nd∶YAG激光器基于該模型進(jìn)行了大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型對(duì)激光參量(掃描速率、激光功率和脈沖寬度)變化對(duì)玻璃燒蝕深度的影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖 3  玻璃表面產(chǎn)生微坑的光學(xué)圖像

a—在不同入射激光能量密度下b—在不同靶-基材料距離下

圖 4  激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕工藝傳熱模型與溫度場(chǎng)仿真

a—2維對(duì)稱(chēng)瞬態(tài)傳熱模型b—單次激光脈沖后的溫度分布

對(duì)于激光誘導(dǎo)背部濕法刻蝕，溶劑材料種類(lèi)和激光工藝參量的選取都對(duì)刻蝕質(zhì)量有較大的影響。EHRHARDT等人以甲苯溶液為液體介質(zhì)，采用355nm和266nm的皮秒激光對(duì)石英玻璃進(jìn)行刻蝕，發(fā)現(xiàn)甲苯溶液中芘的含量對(duì)去蝕率有較大影響，且在一定范圍內(nèi)芘的含量越高，去蝕率越大。KWON等人提出在使用波長(zhǎng)為1064nm、脈寬為100ns的近紅外激光刻蝕鈉鈣玻璃的過(guò)程中，可通過(guò)在吸收劑中加入磷酸抑制裂紋的產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)比不同磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0~0.40)的吸收劑刻蝕效果(如圖 5所示)發(fā)現(xiàn)，加入磷酸后，可刻蝕深度提高了約5倍(從103μm提高到530μm)，且側(cè)壁的粗糙度從0.55μm下降到0.16μm；此外，通過(guò)調(diào)整溶液中的磷酸濃度，可以制備出多種不同形狀及深寬比的微通道。SUN等人利用飛秒激光分別在空氣、水和乙醇中加工熔石英玻璃，結(jié)果表明，以乙醇為吸收介質(zhì)時(shí)，熔石英玻璃的燒蝕閾值從2.22J/cm2降到了1.02J/cm2，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，刻蝕時(shí)乙醇比水需更低的激光能量便能達(dá)到形成等離子體的電子密度，同時(shí)激光誘導(dǎo)等離子體形成后會(huì)在液體中產(chǎn)生氣泡，酒精中的氣泡比水中的對(duì)石英表面的沖擊壓力更大。

圖 5  不同磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)吸收劑制備的微通道

激光刻蝕作為玻璃材料微納加工的一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù)，如何在刻蝕時(shí)兼顧去蝕率、刻蝕深度與加工質(zhì)量、無(wú)裂損率是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，對(duì)于激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕和激光誘導(dǎo)背部濕法刻蝕，更好的靶材料、吸收劑的研究，對(duì)于刻蝕加工參量的優(yōu)化以及加工過(guò)程的仿真的相關(guān)研究已經(jīng)大量展開(kāi)，而使用超快激光、激光掩模技術(shù)、復(fù)合激光對(duì)玻璃材料進(jìn)行直寫(xiě)刻蝕以無(wú)損制備微納結(jié)構(gòu)是當(dāng)前玻璃材料刻蝕的研究熱點(diǎn)。

2.   激光打孔

激光打孔是在玻璃透明材料上加工微米級(jí)、高深徑比微孔的一種重要方法。目前，遠(yuǎn)紅外CO2激光器、超快激光器等多種激光器在微孔加工中都有應(yīng)用。

2.1   遠(yuǎn)紅外CO2激光打孔

遠(yuǎn)紅外CO2激光由于其脈沖寬度較長(zhǎng)，在加工玻璃時(shí)易產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致冷卻過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋。BRUSBERG等人利用CO2激光器對(duì)500μm厚的Schott D263 Teco薄玻璃進(jìn)行打孔，幾乎所有直徑小于100μm的圓柱形孔都可以在0.25s內(nèi)加工完成，但玻璃基板上51%的制孔都存在微裂紋。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在CO2激光加工前后對(duì)玻璃基板進(jìn)行熱處理(加工前將玻璃基板預(yù)熱至100℃~400℃，制孔后將基板加熱到300℃~557℃, 即Schott D263 Teco玻璃退火點(diǎn))可以有效避免此類(lèi)熱應(yīng)力造成的裂紋的產(chǎn)生(98.4%孔無(wú)裂紋)。UNO等人開(kāi)發(fā)了一種縱向激發(fā)的CO2激光器，該激光器可產(chǎn)生4種類(lèi)型的短激光脈沖，研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)短脈沖的能量密度和照射次數(shù)可以有效控制SiO2玻璃板上的制孔深度并減少微裂紋的產(chǎn)生，且峰脈沖能量為0.82mJ，脈沖尾部能量為19.88mJ的激光脈沖加工效果。因此，盡管CO2激光玻璃打孔的可靠性偏低，但由于其打孔速度很快，設(shè)備成本低，仍在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用。

2.2   超快激光打孔

超快激光由于作用時(shí)間非常短，加工時(shí)的熱滲透很小，在玻璃樣品上不會(huì)留下很大的熱影響區(qū)域，能夠有效地減少加工后微裂紋的產(chǎn)生。ARGUMENT使用波長(zhǎng)為248nm~800nm、脈寬為130fs~300fs的飛秒激光器在石英玻璃上加工出寬度在25μm~40μm，深度可達(dá)100μm的微孔，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)在加工前預(yù)熱玻璃基板，在玻璃基板上預(yù)先制備金屬鎢薄膜，加工后通過(guò)過(guò)氧化氫腐蝕去除的辦法可以有效地減少裂紋和碎片的產(chǎn)生。CHUANG等人利用波長(zhǎng)為1065nm的皮秒激光器在超薄玻璃上加工出一連串直徑為3μm、間隔為2μm~3μm的通孔，在掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)下觀察玻璃微孔橫截面發(fā)現(xiàn)沒(méi)有可見(jiàn)的熔化區(qū)，這表明皮秒激光加工微孔時(shí)的熱影響區(qū)基本可以忽略不計(jì)。ITO等人對(duì)化學(xué)強(qiáng)化玻璃進(jìn)行飛秒激光打孔試驗(yàn), 并通過(guò)數(shù)值分析加工時(shí)的應(yīng)力波的傳播及溫度場(chǎng)的分布，發(fā)現(xiàn)制孔側(cè)壁和底部的殘余應(yīng)力主要是由應(yīng)力波引起的，而孔入口周?chē)膿p傷則與熱應(yīng)力的弛豫有關(guān)，如圖 6所示。WEI等人建立了基于飛秒激光抽運(yùn)-探測(cè)原理的時(shí)間分辨陰影成像平臺(tái)，直接獲取了飛秒激光燒蝕石英微孔的超快過(guò)程圖像，如圖 7所示。通過(guò)對(duì)不同能量密度、時(shí)間延遲、脈沖條件下拍攝圖像的分析，發(fā)現(xiàn)在飛秒激光燒蝕制備石英微孔的過(guò)程中，當(dāng)能量密度低于石英玻璃破壞閾值時(shí)，石英玻璃表面觀測(cè)到?jīng)_

圖 6  光學(xué)顯微鏡下飛秒激光制孔的截面圖

a—130fs激光加工微孔應(yīng)力分布b—孔出口處損傷

圖 7  時(shí)間分辨陰影成像光路圖及時(shí)間延時(shí)校準(zhǔn)方法

a—時(shí)間分辨陰影成像光路圖b—石英介質(zhì)中零延時(shí)附近的飛秒激光誘導(dǎo)的等離子通道

擊波隨時(shí)間延遲增加逐漸膨脹，石英玻璃內(nèi)部觀測(cè)到隨時(shí)間延遲增大逐漸衰退的等離子通道；當(dāng)能量密度大于破壞閾值時(shí)，可觀察到隨沉積激光脈沖數(shù)量而伸長(zhǎng)的縱向微孔，且在微孔底部可觀察到?jīng)_擊波傳輸?shù)妮喞?/span>

2.3   激光打孔改進(jìn)工藝研究

針對(duì)激光打孔過(guò)程中玻璃崩邊及裂紋現(xiàn)象嚴(yán)重，高深徑比微孔加工難度大的瓶頸問(wèn)題，許多學(xué)者提出了改進(jìn)的打孔方法。為了減少微孔加工時(shí)裂紋的產(chǎn)生，KONO等人將二氧化鈰粉末和水的混合物涂覆到玻璃材料的表面后，晾干制成30μm的吸收層，之后再用波長(zhǎng)為355nm的納秒激光器進(jìn)行微孔加工，成功在硼硅玻璃和石英玻璃上分別加工出深徑比12以上的微孔，通過(guò)對(duì)照試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)該方法可以大大減少裂紋的產(chǎn)生，并在不影響加工質(zhì)量的前提下提高加工速度(XY工作臺(tái)進(jìn)給速率高達(dá)100μm/s)。針對(duì)飛秒激光打孔制孔速度低、制孔時(shí)易產(chǎn)生損傷的問(wèn)題，ITO等人[19]將波長(zhǎng)為780nm的飛秒激光器與波長(zhǎng)為1070nm的光纖激光器相結(jié)合，如圖 8a所示，加工時(shí)首先使用飛秒激光在玻璃基板上加工出高寬深比的細(xì)線，之后將光纖激光輻照到細(xì)線上逐步獲得所需的微孔(其中在飛秒激光輻照后的光纖激光輻照時(shí)間定義為時(shí)間延遲τ，如圖 8b所示), 研究發(fā)現(xiàn), 飛秒激光產(chǎn)生的細(xì)線會(huì)選擇性地吸收光纖激光脈沖利用熱效應(yīng)去除材料，可以有效地避免直接飛秒激光加工過(guò)程產(chǎn)生的強(qiáng)應(yīng)力波對(duì)材料的損傷，制孔的直徑和深度與τ有關(guān)，如圖 9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在40μs內(nèi)加工出了直徑為10μm、深度達(dá)133μm的微孔，制孔速度只采用飛秒激光加工的5000倍以上, 且能有效地抑制裂紋的產(chǎn)生。為了解決傳統(tǒng)打孔由上至下的加工方式制孔時(shí)出現(xiàn)的坡度效應(yīng)(制孔開(kāi)口表現(xiàn)出入口大出口小的特征)，WANG等人[20]提出在加工透明材料時(shí)，嘗試采用由下至上的打孔方式代替常規(guī)的由上至下方式，將激光透過(guò)材料聚焦于材料的下表面，由底部開(kāi)始一層層地將材料向上去除, 試驗(yàn)中分別采用波長(zhǎng)為532nm的納秒激光、波長(zhǎng)為1064nm的皮秒激光及波長(zhǎng)為515nm的飛秒激光在康寧大猩猩玻璃上加工孔徑為100μm~120μm、深度為200μm~900μm的微孔, 試驗(yàn)結(jié)果表明，在采用由下至上的加工方式時(shí)，脈寬區(qū)間不存在死亡谷(自納秒開(kāi)始，脈寬愈短，材料移除率愈低，在2ns~50ps之間移除率非常低)，脈寬為2ns~50ps的激光切割效率高于超快激光，能夠?qū)崿F(xiàn)零錐度鉆孔且玻璃的崩邊尺寸小于50μm。

圖 8  飛秒激光與光纖激光復(fù)合微孔加工系統(tǒng)示意圖

a—試驗(yàn)平臺(tái)示意圖b—飛秒激光脈沖和光纖激光脈沖的輻照時(shí)間

圖 9  制孔直徑和制孔深度與時(shí)間延遲τ的關(guān)系及不同τ下飛秒激光與光纖激光結(jié)合制孔光學(xué)顯微圖像

a—制孔深度與τ的關(guān)系圖像b—制孔直徑與τ的關(guān)系圖像c—τ=10μs d—τ=20μs e—τ=30μs f—τ=40μs

綜上所述，如何在減少、消除制孔損傷的前提條件下，以較快的加工速度制備出尺寸更小、精度更高、具有更大深徑比的微孔是激光打孔技術(shù)難點(diǎn)所在。隨著超快激光器的發(fā)展以及新器件、新技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)超快激光制孔過(guò)程的觀測(cè)和分析、超快激光與材料作用機(jī)理的研究也有所展開(kāi)。為了滿足微孔加工在尺寸、圓度、深徑比、微裂紋及重鑄層等方面越來(lái)越高的要求，學(xué)者們也在不斷尋找著復(fù)合激光加工、激光加工與熱處理相結(jié)合等新的加工工藝。

5.   結(jié)束語(yǔ)

從激光刻蝕、激光打孔2個(gè)激光加工玻璃材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域簡(jiǎn)述了加工原理和研究進(jìn)展。玻璃材料作為一種性能獨(dú)特的非金屬材料其加工產(chǎn)品在傳感器、光子器件、生物芯片等高新技術(shù)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，而激光加工技術(shù)特別是超快激光技術(shù)為玻璃材料的刻蝕、制孔、焊接乃至傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的表面和內(nèi)部微納加工提供一種高質(zhì)量、高效率且清潔無(wú)污染的加工方法。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，更快速、更高能量密度激光器的投入使用已經(jīng)在玻璃透明材料加工領(lǐng)域取得了許多進(jìn)步與成就。未來(lái)在以下幾方面可進(jìn)行深入研究以推動(dòng)激光加工玻璃技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

(1) 對(duì)于超快激光、復(fù)合激光束加工以及各種激光輔助加工方法中激光與材料的相互作用過(guò)程、機(jī)理的研究是保證制造質(zhì)量的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

(2) 模擬實(shí)際加工工況的激光加工仿真模型開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)激光加工參量?jī)?yōu)選和工藝流程的優(yōu)化。

(3) 集成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光加工參量的實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

(4) 更加小型化、低成本的激光系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及新的光化學(xué)方案研究將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展可加工的玻璃材料的范圍，提高加工精度并降低時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

注明 文章出處：激光技術(shù)網(wǎng) http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.04.003