飞秒激光器在脆性材料加工中的应用

这种激光器被广泛应用于要求严格的医疗和制造领域。为了展示ClearShape飞秒激光器的加工能力，Spirit激光器应用于制造化学强化大猩猩玻璃（康宁）。测试所使用的玻璃厚度为0.55mm、压缩层深度为20μm。使用该激光器进行ClearShape加工的切割速度最高达4m/s。豁口小于1μm，平均割边粗度小于1μm（图2）。

图2.使用Spirit 1040-IMC激光器，运用ClearShape工艺对康宁化学强化大猩猩玻璃（厚度为0.55mm、压缩层深度为20μm）进行直线切割后，未进行任何后期处理结果示例。切割速度最高达4m/s。割边俯视图展示了极佳的切割质量，在表面未形成任何豁口（图a），而割边侧视图展示了清晰光滑的表面，粗度小于0.1μm。 

大于1m/s的高加工速度可以在一秒钟之内完整切割好一张显示屏为6英寸的智能手机保护玻璃。在切割步骤之后，材料会进行自切割，而无需再进行机械切割。衡量玻璃激光切割工艺的工业标准是对原切割样本进行4点弯曲测试。4点弯曲测试显示，被切割后未进行后期处理的不同种类化学强化玻璃，其弯曲强度最高可达700Mpa（图3）。

图3.使用Spirit 1040-IMC激光器，运用ClearShape工艺切割后，大猩猩玻璃（厚度为0.55mm、压缩层深度为20μm）以及IOX-FS玻璃（厚度为0.55mm、压缩层深度为30μm）的4点弯曲测试结果。结果显示未进行后期处理的原切割玻璃具有极强的弯曲强度。

除了化学强化玻璃，这一工艺可以加工直线或曲线切割以及具备内部封闭形状特征的非强化玻璃，还可以加工多层玻璃复合体。此外，这一方法已被应用于加工耐划性极强的蓝宝石，它是智能手机摄影串口或手表表盖的理想材料。图4显示了从0.43mm厚蓝宝石上切割下来的直径为6.4mm的圆形窗口，正是使用这一工艺。得到的蓝宝石窗口质量上乘（几乎没有豁口），通过量高（每一个窗口所需时间不超过0.5秒）。

 

图4：将用于摄像头保护盖的直径为6.4mm的圆形窗口，使用Spirit 1040-IMC激光器，运用ClearShape工艺从厚度为0.43mm的蓝宝石晶片上切割下来。每切割一个窗口的时间不超过0.5s。（a）显示了在激光切割后，割开前的蓝宝石串口，（b）显示了切开后的圆形窗口俯视图。

小结 

尚在申请专利的ClearShape工艺已用于加工光学透明脆性材料。本文中所展示的结论是使用Spirit工业飞秒激光器在波长为1040nm条件下得出，这样避免了像可见光或紫外激光等难以操控，高谐波激光辐射也更强。结论显示这一结实可靠的飞秒激光器，配合新颖的ClearShape工艺，就产生了一个理想的解决方案，可以依照工业用户所需的加工速度，高质量加工各种透明或半透明脆性材料。