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透明玻璃材料由于自身獨(dú)特的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，進(jìn)而引起市場(chǎng)對(duì)于高質(zhì)量、高效率、數(shù)字化的玻璃加工技術(shù)的不斷追求。在這一進(jìn)程中，激光加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在透明玻璃材料加工領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用日益突顯。與此同時(shí)，各類激光器和激光加工設(shè)備得到快速裝備。

現(xiàn)今市場(chǎng)中常見(jiàn)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(yuǎn)紅外波段（10.6 μm）的高吸收效率，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械或水射流加工方法，CO2激光為玻璃加工提供了一種高質(zhì)量、高效率（加工速度快）、經(jīng)濟(jì)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(jī)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(fù)雜圖形中體現(xiàn)出固有的優(yōu)勢(shì)。

圖1 CO2激光熱應(yīng)力裂片加工

二、超快激光成絲切割

近年來(lái)出現(xiàn)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(dāng)超快激光強(qiáng)脈沖被聚焦在透明玻璃材料中，超快脈沖在玻璃材料內(nèi)部出現(xiàn)自聚焦現(xiàn)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(xiàn)象

當(dāng)激光脈沖的強(qiáng)度高于透明玻璃材料的損傷閾值時(shí)，激光成絲在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生出一條數(shù)十微米量級(jí)的高深寬比“破壞”通道，通過(guò)控制光束與樣品的相對(duì)位置，便可實(shí)現(xiàn)在玻璃材料中的特定破裂幾何軌跡。最終通過(guò)切割部分自行從基底脫落或輔助開(kāi)裂的方式實(shí)現(xiàn)最終的樣品切割。激光成絲切割的技術(shù)新穎性吸引了市場(chǎng)的極大關(guān)注，且優(yōu)勢(shì)非常明顯——切割速度快、幾乎不產(chǎn)生碎屑、樣品邊緣強(qiáng)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(huì)出現(xiàn)很難順利脫離基底的現(xiàn)象。其次，激光成絲加工對(duì)激光光源的脈沖強(qiáng)度均勻性，光束在介質(zhì)中傳播的穩(wěn)定性，等離子體散焦的調(diào)控等都有很高的要求，使得超快激光成絲工業(yè)應(yīng)用設(shè)備成本相對(duì)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(yīng)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(nèi)部成絲裂片不同，激光去除材料主要基于單個(gè)激光脈沖對(duì)基底材料的逐點(diǎn)作用以及激光焦點(diǎn)按照預(yù)定設(shè)計(jì)路徑在空間中的快速掃描移動(dòng)實(shí)現(xiàn)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?qū)Ω鞣N玻璃材料進(jìn)行逐點(diǎn)、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(zhǔn)度、高效的“數(shù)字化”（digital）“激光玻璃”切削型加工技術(shù)。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(tái)階孔

高重頻、納秒綠光激光脈沖對(duì)玻璃材料的去除機(jī)理并非常規(guī)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(dǎo)的局部熱應(yīng)力梯度所導(dǎo)致的有限空間范圍內(nèi)的材料崩裂。根據(jù)估算，典型情況下，這樣的加工中一個(gè)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(duì)應(yīng)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(dá)到150 μm3/μJ。目前，相對(duì)于0.5 mm厚的鈉鈣玻璃，有報(bào)道的最大線切割速度能夠達(dá)到25-30 mm/s，隨著加工工藝的改進(jìn)有望進(jìn)一步提高。需要注意的是，固體綠光激光器在這一應(yīng)用中存在一定的劣勢(shì)，為了保證小于10 ns的脈沖寬度，固體激光很難達(dá)到重復(fù)頻率高于150 kHz，這就很大程度上影響了對(duì)于切割速度的追求。而光纖激光器具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，可以調(diào)節(jié)到300 kHz或500 kHz的重復(fù)頻率，同時(shí)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(shù)加工機(jī)理的特點(diǎn)，在加工過(guò)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(guī)則的崩邊（chipping）現(xiàn)象。通常情況下，通過(guò)調(diào)控脈沖能量、脈沖寬度、脈沖重復(fù)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(duì)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(jié)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(duì)于藍(lán)寶石或玻璃的精密加工，有時(shí)崩邊尺寸要求很高（<20 μm），這時(shí)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(guò)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(xì)度和功能性。在傳統(tǒng)的金屬類材料加工中，為有效抑制熱影響區(qū)(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(yīng)用于材料加工領(lǐng)域成為廣泛共識(shí)。對(duì)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(zhì)量和較高的加工速度，很好的平衡了加工質(zhì)量、速度和成本上的取舍，如圖6所示。

圖6 皮秒光纖激光（50 ps）藍(lán)寶石加工