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【分享】超快激光在玻璃加工方麵的應用

2018-02-03 09:17

玻璃是一種透明的類固體材料,在人們日常生活中應用廣泛。玻璃的應用範圍在不斷擴大,尤其是和其他材料相結合能更多地應用於高科技領域。玻璃由碳酸鈉、石灰石和沙子等常見的材料製成。這些材料在高溫條件下(約1500℃)溶化,就像液體一樣,可以被灌注、吹製、壓製和模塑成各種形狀。但在室溫下,玻璃就成為固體,冷卻後由於機械性能的改變會變得難以加工處理。
  
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,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。
 
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。
加工強化玻璃
  
智能手機的興起加大了顯示屏的重要性。智能觸摸顯示屏(觸摸屏)已經超越了手機鍵盤成為最主要的用戶界麵。典型的智能手機包括四塊玻璃平板:兩塊在顯示屏上,容納薄膜晶體管和液晶材料;一塊提供觸摸功能;還有一塊化學鋼化玻璃蓋板保護底層免於劃傷,衝擊損傷和髒物。由於用戶想要輕便、纖薄的智能手機,更薄的玻璃麵板被使用。典型的玻璃顯示麵板為0.3毫米厚;化學鋼化玻璃蓋板0.7毫米厚。這使得傳統的切割工藝達到了極限。切削輪子已經不適合加工這種玻璃,因為他們都經過特殊的化學強化處理,而銑削加工則需要大量研磨和拋光上的返工工作。
  
紅外和綠光波長的超短脈衝激光器正好可用於這種材料的加工。皮秒脈衝能減少裂縫的產生,切割質量遠遠超過普通的銑削加工。激光光束多次掃過被加工材料來實現切割。速度,邊緣質量和邊緣的角度可以由加工策略來決定。相對於其他的激光工藝,燒蝕工藝更穩妥:例如,輕微變形的玻璃並不影響加工結果。在測試中,使用綠光皮秒激光器,"CorningEagle XG"的彎曲強度達280兆帕。使用紅外皮秒激光器的測試結果表明速度增加三倍,邊緣的彎曲強度略低。
  
更強大的皮秒激光器使福利视频(午夜)有更大的機會來提高加工玻璃的效率。福利视频(午夜)比較鋼材和玻璃的燒蝕速度以及加工效率時這種機會尤為明顯。由於等離子體屏蔽的原因,鋼材的燒蝕效率在5 J/cm2的脈衝能量密度時開始降低,而玻璃允許更高的脈衝能量密度,直到加工效率達到最高。因此當加工玻璃時,更高的脈衝能量可以轉化為更高的燒蝕效率。
  
當考慮進一步降低玻璃的重量和厚度時,人們可能會使用超薄玻璃。50微米厚的玻璃處理起來更微妙,對於機械加工也更敏感。事實上,這樣的玻璃不用激光來加工已經是不可能了。
 
適用於任何棘手情況的藍寶石
  
藍寶石是地球上僅次於鑽石第二堅硬的材料,很難使用機械的方法來加工。使用激光器來切割藍寶石是當今LED製造業的標準加工方法,藍寶石在這裏用作基板襯底。由於其抗劃傷性和透光性,藍寶石會用來生產手表和光學儀器的保護鏡麵。
  
當加工細小的輪廓時,超短脈衝激光器可以實現精準的加工。例如當切割圓形部件和鑽微孔時,柔性的輪廓加工可以通過高速掃描器來實現。超短脈衝除去了加工時的熱影響,從而產生極好的切割邊緣質量。
     
與超短脈衝相結合的智能加工方式可以避免形成缺口及開裂。經驗表明100微焦左右的脈衝能量是最佳的。例如,將脈衝能量為250微焦的激光光束分成兩個125 微焦的獨立激光光束同時加工兩個零部件就可以獲得更高的產量。卓越的加工質量取決於加工方法、除塵和工件夾具之間的適宜的配合。
 

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