玻璃加工的利器 | 超快激光器
發(fā)布時(shí)間：2020-09-27 14:42
據(jù)悉，來自波蘭比亞威斯托克大學(xué)的Andrzej Stupakiewicz和其同事使用精確調(diào)諧的激光脈沖在石榴石晶體上存儲(chǔ)信息，速度比磁熱硬盤驅(qū)動(dòng)器快1000倍。超快激光器的超短脈沖緊密聚焦于玻璃的大部分或表面，每平方厘米的功率密度超過數(shù)太瓦，引發(fā)復(fù)雜多樣的工藝，造成對(duì)玻璃基質(zhì)高度局域化的破壞，同時(shí)幾乎不存在能量沉積，因而是加工玻璃材料的理想工具。工業(yè)利器：超快激光器
玻璃是一種透明的類固體材料，其在日常生活中的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。玻璃由碳酸鈉、石灰石和沙子等常見的材料制成。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、吹制、壓制和模塑成各種形狀。但在室溫下，玻璃就成為固體，冷卻后由于機(jī)械性能的改變會(huì)變得難以加工處理。
玻璃具有其他材料所不具備的獨(dú)特性能。它擁有極好的光學(xué)性能，能反射、彎曲、透射和吸收光線，在整個(gè)可視范圍內(nèi)甚至更遠(yuǎn)，都具有較高的透明度。從化學(xué)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(xué)品的容器。從熱力和電力方面來看，玻璃是一種絕佳的絕緣體。從物理性能來看，玻璃表面堅(jiān)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面臨著更大挑戰(zhàn)，例如一旦玻璃具備極好的抗拉強(qiáng)度，就變得易碎。
通常一個(gè)小裂紋就會(huì)造成玻璃破碎。一旦微裂紋在玻璃的某個(gè)部位形成，它就會(huì)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。另外一方面，不斷發(fā)展的技術(shù)使其可制成結(jié)構(gòu)更小，且形狀各異的玻璃來應(yīng)用于不同領(lǐng)域。傳統(tǒng)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(shù)過于昂貴，不易操作，特別是大面積使用?，F(xiàn)今，激光技術(shù)提供了加工玻璃的最精確方法。最直截了當(dāng)?shù)姆椒ň褪窃诓ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)利用單光子吸收，玻璃在紅外線或紫外線下不會(huì)高度透明。
但是，直接吸收會(huì)產(chǎn)生一些問題，包括不良熱影響以及形成熱影響區(qū)，這會(huì)產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重危害玻璃的機(jī)械穩(wěn)定性。此外，在玻璃表面下方進(jìn)行加工，制造三維結(jié)構(gòu)，需要使用高透明度波長(zhǎng)。雖然納秒脈沖激光器可用于在玻璃中制造次表層結(jié)構(gòu)，玻璃的物理機(jī)制會(huì)對(duì)微處理的精細(xì)程度造成限制，也會(huì)產(chǎn)生微裂紋。
使用納秒激光器（左圖）和使用近紅外（NIR）飛秒激光器（右圖）對(duì)玻璃進(jìn)行激光加工示例。
近年來，一種激動(dòng)人心的替代性工藝已投入工業(yè)應(yīng)用，即使用超快激光器在近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生次皮秒脈沖。在這一方法中，超短脈沖緊密聚焦于玻璃的大部分或表面，每平方厘米的功率密度超過數(shù)太瓦，引發(fā)復(fù)雜多樣的工藝，如同時(shí)多光子吸收、雪崩和碰撞電離，造成對(duì)玻璃基質(zhì)高度局域化的破壞，同時(shí)幾乎不存在能量沉積（只有幾微焦甚至更少）。由于每次脈沖所用能量極其適度，對(duì)該部位（甚至是聚焦體積）造成的熱影響可以忽略不計(jì)。這一方法通常被稱為“冷消融”，可以用來制造極為精確的3D結(jié)構(gòu)。和其他微制造技術(shù)相比，飛秒激光微制造透明材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
