【編者按】玻璃唉攻、藍寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工和精細加工的材料亮靴。然而缀磕，它們給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)也為強大的超短脈沖激光器提供了更多機會梆奈。

玻璃野崇、藍寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工和精細加工的材料。然而亩钟，它們給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了越來越多的挑戰(zhàn)乓梨，這種挑戰(zhàn)也為強大的超短脈沖激光器提供了更多機會。
　　材料優(yōu)質(zhì)的屬性對很多產(chǎn)品來說是不可或缺的：玻璃用來制作智能手機的顯示屏林慷，顯示屏有著鋼化的外殼 浓蜈；陶瓷堅硬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定否胸，可用來制作電子零部件和電路基板以及電氣絕緣體芳迅；藍寶石極其堅硬，耐劃傷馆梦，適合用于半導(dǎo)體和LED技術(shù)蕾胶。但玻璃、 陶瓷和藍寶石的共同點就是很難加工桐继。由于它們易碎而且都是非常堅硬的材料刘耀，因而挑戰(zhàn)著銑、 鉆和磨等傳統(tǒng)制造工藝的極限蚤弃。加工這些材料時召藻，刀具磨損快，并且需要多個加工環(huán)節(jié)才能獲得足夠好的加工質(zhì)量打恕。
　　激光光束在加工堅硬退疫、易碎的材料方面具有良好的效果渠缕。它們不會磨損且能聚焦到最小直徑鸽素。掃描振鏡能靈活定位光束，幾乎可以滿足各種形狀輪廓的加工需要亦鳞。超短脈沖激光器（如圖1所示）特別適合加工易碎的材料馍忽。對于小于10ps的激光脈沖，當(dāng)熱傳導(dǎo)到周邊的材料上之前燕差，被加工區(qū)域的材料已經(jīng)汽化遭笋。只要激光參數(shù)精確調(diào)整并與應(yīng)用相匹配坝冕，那么就不需返工。

圖1  超短脈沖皮秒激光器TruMicro 5000

　　對可見光以及近紅外光譜范圍內(nèi)的光來說瓦呼，很多像玻璃這樣的寬帶隙電介質(zhì)是透光的喂窟。然而，高強度的皮秒脈沖能通過多光子電離產(chǎn)生自由電子央串。大量連續(xù)的電離進一步釋放電荷載體磨澡，這些電荷載體能夠破壞材料中的化學(xué)鍵，最終達到燒蝕材料的目的质和。
　　當(dāng)加工易碎材料時队乔，避免產(chǎn)生小裂縫是經(jīng)常遇到的挑戰(zhàn)，這些小裂縫會削弱零部件的強度甸诽。產(chǎn)生裂縫的一個原因是過度的熱量進入了零部件拾肚。熱量導(dǎo)致材料膨脹，加快了裂縫的生成所惶。適當(dāng)?shù)募庸げ呗钥梢苑乐剐×鸭y的形成奶匆，這其中包括精準(zhǔn)定義加工參數(shù)，如脈沖能量酌尔、 脈沖重疊度附舌、 重復(fù)頻率、 焦點直徑和激光加工次數(shù)跺榆。最佳工作點取決于材料蛉差、 加工形狀、加工時間和質(zhì)量的要求重蕉，并通過試驗加以確認壕哩。位于德國南部Ditizingen的Trumpf公司和德國西部 Aachen的Fraunhofer激光技術(shù)研究所開展聯(lián)合研究，奠定了優(yōu)化激光加工脆性材料效果的理論基礎(chǔ)男窿。
　　不同標(biāo)準(zhǔn)可用來評估質(zhì)量：零部件的彎曲強度（用來測量材料的斷裂強度扎运，裂縫會使斷裂強度降低）、切割邊緣粗糙度以及邊緣視覺效果饮戳。切割邊緣的情況可以通過光學(xué)顯微鏡以及借助掃描電子顯微鏡來測量豪治。
　　測量零部件彎曲強度的普通方法是四點折彎測試。用兩根圓柱對一定加工輪廓的試驗樣品進行支撐和定位扯罐。另外兩個圓柱以既定速度對樣件不斷加力负拟，直到它被折斷。破壞時間點的壓力因此而得到測量歹河，斷裂強度可以通過零部件的形狀以兆帕為單位計算得出掩浙。
　　智能手機的興起突出了顯示屏的重要性。智能觸摸顯示屏已經(jīng)超越了手機鍵盤成為最主要的用戶界面秸歧。典型的智能手機包括4塊玻璃平板：兩塊在顯示屏上厨姚，容納薄膜晶體管和液晶材料衅澈；一塊提供觸摸功能；一塊化學(xué)鋼化玻璃蓋板谬墙，保護底層免于劃傷今布、沖擊損傷或被弄臟。輕便育另、纖薄的智能手機意味著需要更薄的玻璃面板仁墅。典型的玻璃顯示面板為0.3mm，化學(xué)鋼化玻璃蓋板為0.7mm缤币，這使得傳統(tǒng)的切割工藝達到了極限冲倡。切削輪子已經(jīng)不適合加工這種玻璃，因為它們都經(jīng)過特殊的化學(xué)強化處理旬敞，而銑削加工則需要大量研磨和拋光的返工蒸橡。
　　紅外和綠光波長的超短脈沖激光器正好可用于這種材料的加工。皮秒脈沖能減少裂縫的產(chǎn)生深境，切割質(zhì)量遠遠超過普通的銑削加工每玛。激光光束多次掃過被加工材料來實現(xiàn)切割。速度旅雇、邊緣質(zhì)量和邊緣的角度可以由加工策略來決定芦赔。相對于其他的激光工藝，燒蝕工藝更穩(wěn)妥跃旁。例如桥膝，輕微變形的玻璃并不影響加工結(jié)果。在測試中撒穷，使用綠光皮秒激光器匣椰，“Corning Eagle XG”的彎曲強度達280MPa。使用紅外皮秒激光器的測試結(jié)果表明端礼，速度增加了3倍禽笑，邊緣的彎曲強度略有降低。

圖2  使用皮秒激光器加工玻璃

　　更強大的皮秒激光器為提高加工玻璃的效率提供了更多的機會（如圖2所示）蛤奥。由于等離子體屏蔽的原因佳镜，鋼材的燒蝕效率在5J/cm2的脈沖能量密度時開始降低，而玻璃允許更高的脈沖能量密度凡桥，直到加工效率達到最高蟀伸。因此，當(dāng)加工玻璃時唬血，更高的脈沖能量可以轉(zhuǎn)化為更高的燒蝕效率望蜡。
　　藍寶石是地球上僅次于鉆石的第二堅硬材料唤崭，很難使用機械的方法來加工拷恨。使用激光器來切割藍寶石是當(dāng)今LED制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)加工方法脖律，藍寶石在這里用作基板襯底。由于其抗劃傷性和透光性漩叶，藍寶石被用來生產(chǎn)手表和光學(xué)儀器的保護鏡面苹衰。
　　當(dāng)加工細小輪廓時，超短脈沖激光器可以實現(xiàn)精準(zhǔn)加工狞朦。例如當(dāng)切割圓形部件和鉆微孔時棘爱，柔性的輪廓加工可以通過高速掃描器來實現(xiàn)。超短脈沖消除了加工時的熱影響澎矗，從而實現(xiàn)了極好的切割邊緣質(zhì)量柜棠。
　　與超短脈沖相結(jié)合的智能加工方式可以避免形成缺口及開裂。經(jīng)驗表明标晤，100μJ左右的脈沖能量是最佳的歇决。例如，將脈沖能量為250μJ的激光光束分成兩個125μJ的獨立激光光束蕴轩，同時加工兩個零部件就可以獲得更高的產(chǎn)量芹蟹。卓越的加工質(zhì)量取決于加工方法、 除塵和工件夾具之間的適宜配合搁突。
　　工程陶瓷經(jīng)常會用于暴露在高溫或要求耐磨損的零部件上绍绽。在許多應(yīng)用中，對材料的電絕緣性要求很高经磅。例如泌绣，工程陶瓷用作汽車行業(yè)中傳感器芯片的PCB材料、用作油泵的耐磨損貯存材料预厌，或用作食品行業(yè)中的噴嘴材料赞别。
　　激光非常適合在薄陶瓷上鉆孔、切割或者進行結(jié)構(gòu)處理配乓。例如仿滔，使用紅外超短脈沖激光器能以高達10mm/s的速度切割0.3mm的氧化鋯板。超短脈沖可產(chǎn)生平滑犹芹、無裂紋的切割邊緣崎页。
　　鑒于超短脈沖激光銳利的聚焦特性，它們非常適用于打孔：能在0.5mm的氧化鋁和氮化鋁陶瓷上鉆出直徑60μm的孔腰埂。打孔速度可達20個孔/s飒焦。在劃片-裂片的工藝中，激光切割到材料厚度的1/3屿笼，然后用機械方式裂片牺荠，速度可達50mm/s。
　　在達到加工質(zhì)量要求的前提下担擦，產(chǎn)能是工業(yè)制造中的一個決定性的變量例杰。為了將超短脈沖激光的卓越特性應(yīng)用到高生產(chǎn)率要求的工業(yè)制造中拟晋，可按比例增加皮秒激光器TruMicro 5000的輸出功率。新型TruMicro 5070和TruMicro 5270分別是功率100W紅光和60W綠光皮秒激光器侥丝，脈寬在10ps之內(nèi)蛇狐。基于碟片式的激光功率放大技術(shù)贬打，可以減少激光在介質(zhì)中的熱透鏡效應(yīng)腿宛，獲得好的光束質(zhì)量和更高的激光功率。
　　由于所有超短脈沖激光器都有雙級功率調(diào)節(jié)特點猫荤，加工效果在各種情況下都可重復(fù)實現(xiàn)顶山，放大器外的外部調(diào)節(jié)模塊會調(diào)整脈沖能量和頻率，這確保了光束特性不會受激光參數(shù)變化的影響瞭芬。

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