玻璃微加工

      右图所示是InnoSlab激光器在玻璃加工中的一个创新性的应用:在玻璃内雕刻特殊形状的高精度中空结构,这是用传统的机械加工手段所无法实现的。在这一受专利保护的加工工艺中,激光束从玻璃的上表面入射, 聚焦到与入射面相对的另一侧的内表面。与玻璃亚表面雕刻不同,被激光剥离出来的的基底材料会很容易地飘离加工区域。通过适当而精确的控制激光焦点的位置,就可以实现在玻璃内任意一个截面进行高精度并具重复性的打孔。这种加工工艺主要具有以下几个优点:

  • 由于加工中剥离出来的玻璃粉尘不影响到激光束,避免了粉尘引起的等离子体激发过程,进而避免了对加工质量的影响,从而保证加工的高度精确和可重复性;
  • 孔的深宽比可以分别独立选择而几乎不受任何限制,也不会有精度上的损失;正如图中所示的高宽比达到50的孔,深宽比更大的孔也能容易实现;
  • 孔的横载面可以沿着孔的深度方向变化,如图7所示,孔的中部被展宽,形成类似金字塔样的结构,而这也是其它加工手段所无法实现的。
  • 通过一点一点, 一层一层的剥离切割,可以在玻璃或类似玻璃的材料中加工出几乎任意一种三维结构。
  • 超精玻璃钻孔, 横截面随深度变化的孔(图中所示样品的孔中添加了彩色液体以易于观察)。

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     在以往的激光玻璃加工中,通常都只使用远红外或紫外激光。这是由于玻璃对激光的吸收局限于远红外和紫外波段(参图). 而固体激光器的激光波长为1µm左右, 它的二倍频波段在玻璃内则几乎是完全透明的,因此只有极少一部分激光能量能被吸收并转换为热。

       如果能够把短脉宽高强度的激光脉冲聚焦成一个很小的点,在焦点处就可以达到很高的强度(功率密度)。当焦点处的光强超过阈值Is时,会引发介质中的原本很少的自由载流子产生雪崩效应,密度急剧增加,引起介质对电磁辐射吸收系数的大幅度增加。这时,被吸收的激光能量使一小部分材料融化并蒸发。这一过程的特别之处在于,激光与材料的相互作用仅仅局限于焦点处,焦点以外的材料不会被激光影响。

       这种非线性吸收过程的阈值强度Is非常高,通常需达到109~1010W/cm2。为了达到如此高的强度,需要满足两个条件:其一,激光的光束质量要足够好,以保证能将其聚焦成很小的点;其二,激光器需工作于调Q模式,以输出高峰值功率的激光脉冲。半导体激光器泵浦的调Q固体激光器结合了上述两个特点,并且成熟的商业化产品已推出市场多年,其中常见的是Nd:YAG和Nd:YVO4激光器。

       如果使用频率为50 kHz的InnoSlab激光器,可以实现超过1mm³/sec的体积烧蚀率。右图所示的是钻有1000多个锥形孔,厚为2mm的玻璃晶元样品,钻孔速度为5秒/孔。全尺寸的触摸屏面板切割,以及三维结构的太阳能玻璃光器的切割,也可以通过逐层扫描切割实现。下图是玻璃切割的样品。

       以厚度为0.7mm的触摸屏玻璃切割为例,等效切割线速度可以达到10mm/s。图中玻璃板状样品的切割都是通过逐层切割实现的。