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透明玻璃激光切割三種工藝介紹

發布時間：2018-06-21 來源：元祿光電

透明玻璃材料由于自身獨特的性質，被廣泛應用于消費電子、醫療器械、汽車工業等領域，進而引起市場對于高質量、高效率、數字化的玻璃加工技術的不斷追求。在這一進程中，激光加工的技術優勢在透明玻璃材料加工領域的工業化應用日益突顯。與此同時，各類激光器和激光加工設備得到快速裝備。

現今市場中常見的玻璃激光切割材料加工方法分為：CO2激光器加熱裂片、超快激光成絲切割、納秒和皮秒激光去除材料加工。

一、CO2激光器加熱裂片

利用玻璃材料在遠紅外波段（10.6 μm）的高吸收效率，相對于傳統的機械或水射流加工方法，CO2激光為玻璃加工提供了一種高質量、高效率（加工速度快）、經濟型（易于獲得高激光功率）的激光加工手段。然而，由于其表面劃線加熱裂片加工機理的限制，CO2激光玻璃加工多局限于線性切割，而難于在加工復雜圖形中體現出固有的優勢。

圖1 CO2激光熱應力裂片加工

二、超快激光成絲切割

近年來出現了一種新型的激光透明玻璃材料加工方法-激光成絲(Laser Filamentation)切割。當超快激光強脈沖被聚焦在透明玻璃材料中，超快脈沖在玻璃材料內部出現自聚焦現象，形成高能量密度自傳輸通道，稱之為“成絲“ （Filamentation）。

圖2 超快激光自聚焦現象

當激光脈沖的強度高于透明玻璃材料的損傷閾值時，激光成絲在玻璃內部產生出一條數十微米量級的高深寬比“破壞”通道，通過控制光束與樣品的相對位置，便可實現在玻璃材料中的特定破裂幾何軌跡。最終通過切割部分自行從基底脫落或輔助開裂的方式實現最終的樣品切割。激光成絲切割的技術新穎性吸引了市場的極大關注，且優勢非常明顯——切割速度快、幾乎不產生碎屑、樣品邊緣強度高。

然而，在15 mm以下尺寸的小孔或片狀玻璃材料的加工中，激光成絲切割后的樣品往往會出現很難順利脫離基底的現象。其次，激光成絲加工對激光光源的脈沖強度均勻性，光束在介質中傳播的穩定性，等離子體散焦的調控等都有很高的要求，使得超快激光成絲工業應用設備成本相對比較高。

三、納秒和皮秒激光去除材料加工

利用激光去除材料（Laser Ablation）是另外一類應用于透明玻璃材料的激光加工方法。與CO2激光器在玻璃表面加熱劃線和超短脈沖玻璃內部成絲裂片不同，激光去除材料主要基于單個激光脈沖對基底材料的逐點作用以及激光焦點按照預定設計路徑在空間中的快速掃描移動實現材料去除。普遍采用的激光器為小于10 ns脈沖寬度的高重頻納秒綠光激光器。這種方法更具靈活性，能夠對各種玻璃材料進行逐點、逐層選擇性的高可控性材料去除，可以被視為一種具有高精準度、高效的“數字化”（digital）“激光玻璃”切削型加工技術。圖3為綠光激光玻璃加工樣品。

圖3 高重頻、納秒激光玻璃材料加工：方形孔和臺階孔

高重頻、納秒綠光激光脈沖對玻璃材料的去除機理并非常規的材料熱熔化后被輔助氣體排出或氣化，而是主要源于激光脈沖誘導的局部熱應力梯度所導致的有限空間范圍內的材料崩裂。根據估算，典型情況下，這樣的加工中一個激光脈沖去除玻璃材料的量大約只有幾十納克或更小，其所對應玻璃顆粒的大小約為二三十微米至幾微米。以普通鈉鈣玻璃為例，單位激光脈沖能量下的材料去除可以達到150 μm3/μJ。目前，相對于0.5 mm厚的鈉鈣玻璃，有報道的最大線切割速度能夠達到25-30 mm/s，隨著加工工藝的改進有望進一步提高。需要注意的是，固體綠光激光器在這一應用中存在一定的劣勢，為了保證小于10 ns的脈沖寬度，固體激光很難達到重復頻率高于150 kHz，這就很大程度上影響了對于切割速度的追求。而光纖激光器具有相對優勢，可以調節到300 kHz或500 kHz的重復頻率，同時保證脈沖寬度不改變。圖4為高重頻、納秒綠光激光玻璃加工示意圖。

圖4 高重頻、納秒綠光激光玻璃加工示意圖

由于納秒激光去除材料技術加工機理的特點，在加工過程中通常帶有一定尺寸的切割槽寬度以及切割邊緣存在不規則的崩邊（chipping）現象。通常情況下，通過調控脈沖能量、脈沖寬度、脈沖重復頻率、光束掃描路徑等因素，納秒綠光加工透明玻璃材料可以控制在100 μm左右。特殊情況下，如超薄玻璃和相對小尺寸加工，最大崩邊可以控制在50 μm – 80 μm之間。圖5為典型的綠光納秒激光器打孔結果。

圖5 納秒綠光玻璃打孔：玻璃厚度3.2 mm，孔徑1 mm，打孔速度1秒/孔，崩邊~100 μm，近乎0°錐度

對于藍寶石或玻璃的精密加工，有時崩邊尺寸要求很高（<20 μm），這時皮秒紅外激光或皮秒綠光便可用于激光去除玻璃材料。依靠“冷”加工過程，皮秒激光加工可以大幅度提高透明玻璃材料加工的精細度和功能性。在傳統的金屬類材料加工中，為有效抑制熱影響區(HAZ)、保證材料去除率等因素的考慮，小于10 ps的脈沖寬度被應用于材料加工領域成為廣泛共識。對于透明玻璃材料加工，利用50 ps脈沖寬度的皮秒激光也可以得到較小崩邊<20 μm的加工質量和較高的加工速度，很好的平衡了加工質量、速度和成本上的取舍，如圖6所示。