超快激光在玻璃加工上的應用

【中玻網】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。玻璃的應用范圍在不斷擴大，尤其是和其他材料相結合能更多地應用于高科技領域。玻璃由物質材料、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。它擁有較好的光學性能，能反射、彎曲、透射和吸收光線，在整個可視范圍內甚至更遠，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。從熱力和電力方面來看，玻璃是一種上好的絕緣體。從物理性能來看，玻璃表面堅硬，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面臨著更大挑戰，例如一旦玻璃具備較好的抗拉強度，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。玻璃制造可以追溯到公元前3500年左右。人工制造玻璃大概首先出現在美索不達米亞和埃及，首先被用來制作珠寶，隨后被用來制作壺。之后，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。盡管玻璃制造歷史悠久，但近幾十年來由于玻璃的易碎性能，對于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。另外一方面，不斷發展的技術使其可制成結構更小，且形狀各異的玻璃來應用于不同領域。傳統的準確方法，如光刻和電子束光刻等來加工玻璃，但這些技術過于昂貴，不易操作，特別是大面積使用。現今，激光技術提供了加工玻璃的較準確方法。較直截了當的方法就是在波長范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，在玻璃表面下方進行加工，制造三維結構，需要使用高透明度波長。雖然納秒脈沖激光器可以用于在玻璃中制造次表層結構（如圖1），玻璃的物理機制會對微處理的精細程度造成限制，也會產生微裂紋。
　　   

　　圖1：使用納秒激光器（左圖）和使用近紅外（NIR）飛秒激光器（右圖）對玻璃進行激光加工示例。
　　
　　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范圍內產生次皮秒脈沖。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太瓦，引發復雜多樣的工藝，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（只有幾微焦甚至更少）。由于每次脈沖所用能量較其適度，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”，可以用來制造較為準確的3D結構。和其他微制造技術相比，飛秒激光微制造透明材料具有獨特優勢。