超快激光切割玻璃，真的有這么“絲滑”嗎？

傳統的玻璃切割工藝包括刀輪切割和CNC研磨切割（如圖1）。刀輪切割的玻璃良率較低，材料利用率較低，在進(jìn)行異型切割時(shí)速度及精度會(huì )大幅下降，有些異型全面屏因轉角太小，根本無(wú)法用刀輪切割。CNC較刀輪的精度高，缺點(diǎn)是速度慢。

圖1 傳統方式玻璃切割.(a)(b)刀輪切割示意圖及效果.(c)(d)CNC研磨切割示意圖及效果

這些機械切割方法會(huì )沿著(zhù)切割邊緣產(chǎn)生微裂紋和碎屑，也會(huì )產(chǎn)生崩邊。此外，機械切割方法還會(huì )在切割邊緣產(chǎn)生殘余應力，從而降低玻璃基板的機械強度（抗斷裂性）。同時(shí)，機械切割方法可能還需要各種后處理步驟（如研磨、拋光）來(lái)緩解上述問(wèn)題，這必然會(huì )增加額外的生產(chǎn)時(shí)間和成本。

玻璃激光切割是一項易于控制的非接觸式的少污染技術(shù)，為客戶(hù)帶來(lái)極大便利；同時(shí)在高速切割下能保證邊緣整齊、垂直性佳和內損傷低的優(yōu)勢，正成為玻璃切割行業(yè)的新型解決方案。尤其是高精度切割，皮秒級超快激光器因極窄的脈寬而展現出極大的優(yōu)勢，利用低熱能擴散的特點(diǎn)，在熱傳導到周邊材料前完成材料打斷，在脆性材料切割中表現出良好的效果。

眾所周知，超快激光器是指輸出激光的脈沖寬度在皮秒（10^-12 s）級別、或小于皮秒級別的脈沖激光器，具備極高的峰值功率。

對玻璃等透明材料而言，當超高峰值功率的激光被聚焦在透明材料內部時(shí)，材料內部由光傳播造成的非線(xiàn)性極化改變了光的傳播特性，使光束出現自聚焦現象（波前聚焦）。由于超快激光的峰值功率極高，使脈沖在玻璃內不斷重復聚焦，在不發(fā)散的狀態(tài)下一路向下傳輸到材料內部，直至激光的能量不足以繼續支持發(fā)生自聚焦現象^[1]。至此，激光傳輸過(guò)的地方留下了如同絲線(xiàn)般的軌跡（直徑只有數個(gè)微米），將這些絲線(xiàn)連起來(lái)，對其施加應力，玻璃便會(huì )自行沿著(zhù)絲線(xiàn)裂開(kāi)。

這是玻璃被激光改性過(guò)的結果，改性后的玻璃與原本的性質(zhì)不同。而這樣的加工方式也確保了加工過(guò)程中不會(huì )對所涉及的空間范圍的周?chē)牧显斐捎绊?，從而做到了加工的“超精細”?/span>

如今對曲線(xiàn)切割的需求量越來(lái)越大，尤其在手機制造行業(yè)，制造商們希望生產(chǎn)幾何形狀更復雜的屏幕，超快激光優(yōu)勢更加顯著(zhù)（如圖2）^[2]。 

圖2 超快激光切割在屏幕異形切割優(yōu)勢

此外，非接觸式加工也可避免傳統機加方式切割容易發(fā)生崩邊、裂紋等問(wèn)題，具有精度高、不產(chǎn)生微裂紋、破碎或碎片問(wèn)題、邊緣抗破裂性高、無(wú)需沖洗、打磨、拋光等二次制造成本等優(yōu)點(diǎn)，降低成本的同時(shí)大幅提高了工件良率及加工效率^[3]。

通常的長(cháng)脈沖激光，如脈寬為微秒、納秒的激光加工，其原理是基于材料中的電子共振線(xiàn)性吸收獲得的能量，將材料逐步熔化、蒸發(fā)移除。由于激光脈沖持續時(shí)間較長(cháng)，遠大于材料熱擴散的時(shí)間，電子傳遞給離子的能量很高，熱擴散涉及比焦點(diǎn)更大的區域，激光聚焦點(diǎn)周?chē)粋€(gè)較大的體積會(huì )被熔化，使得加工區域邊緣不清晰，加工精度有限。

超快激光在極短的時(shí)間和極小的空間內物質(zhì)相互作用，作用區域內的溫度在瞬間內急劇上升，并以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除，極大的避免了熱熔化的存在，大大減弱和消除了傳統機械加工中熱效應帶來(lái)的諸多負面影響，超快激光微加工和材料相互作用的時(shí)間很短，使得能量以等離子體的形式被瞬間帶走，熱量來(lái)不及在材料內部擴散，熱影響非常小，不會(huì )產(chǎn)生重鑄層，屬于冷加工，呈現銳利的加工邊緣，加工精度高。

在切割玻璃的時(shí)候，一個(gè)比較典型的方式，就是采用成絲的方式切割玻璃。

什么是成絲效應？

玻璃切割通過(guò)特定形式的內部變形來(lái)實(shí)現，需要利用由超快激光器聚焦光束提供的超高功率密度。在這個(gè)過(guò)程中，受非線(xiàn)性克爾光學(xué)效應影響，超高密度的激光光束會(huì )產(chǎn)生自聚焦現象。這種自聚焦會(huì )進(jìn)一步提高功率密度，直到達到某一閾值后在材料中產(chǎn)生低密度等離子體。這種等離子體會(huì )降低材料在光束路徑中間的折射率，并會(huì )造成光束散焦。通過(guò)適當配置光束聚焦光學(xué)部件，可以讓這種聚焦/散焦效應達到平衡，從而實(shí)現周期性重復并在光學(xué)透明材料中形成長(cháng)達數毫米、較為穩定的光絲。

目前成絲切割是一種可行的工藝，激光行業(yè)均具有成熟解決方案，在顯示行業(yè)內已進(jìn)行廣泛的應用。如圖3所示，當超快激光束通過(guò)玻璃材料傳播時(shí)，同時(shí)存在克爾自聚焦和等離子體散焦，光束在兩者動(dòng)態(tài)平衡中能實(shí)現長(cháng)距離傳播，在材料中形成微米級的絲孔，這種絲孔在玻璃中能延展幾毫米的深度。直線(xiàn)電機控制玻璃工件相對于激光束進(jìn)行運動(dòng)來(lái)生成等間距的眾多絲孔，通過(guò)優(yōu)化絲孔間距產(chǎn)生沿直徑方向的微裂紋。對存在微裂紋的玻璃施加外力，增加微裂紋處的應力，使玻璃沿微裂紋斷裂，達到切斷的目的^[4]。

圖3 皮秒超快實(shí)現成絲切割原理

另外一種在超快激光加工中獨有的Burst mode加工方式。例如一個(gè)30 W 500 kHz的激光器，單脈沖能量為60 μJ，在Burst模式下工作時(shí)，總的脈沖能量不改變，但是Burst脈沖是多個(gè)子脈沖組成的脈沖串，每個(gè)子脈沖能量更低，激光器內部器件承受的脈沖峰值能量更低，整機的穩定性和可靠性更優(yōu)。實(shí)驗表明，采用同樣能量的Burst輸出和單脈沖輸出作用于玻璃上時(shí)，在Burst工作狀態(tài)下，產(chǎn)生的熱效應更小，成絲距離更長(cháng),切割效果更好。與機械式工藝相比，這樣得到的切割工件的彎曲強度更高。為了有效得到零間隙切割或穿孔線(xiàn)，需要移動(dòng)工件與激光光束之間的相對位置，讓激光生成的光絲彼此靠近。根據材料厚度和需要的切割幾何圖形，切割速度可以達到 50-300 mm/s。

對于非強化透明玻璃（例如鈉鈣玻璃、硼硅酸鹽玻璃和鋁硅酸鹽玻璃）以及藍寶石，在成絲之后還需增加一個(gè)分離環(huán)節。這可以通過(guò)施加一個(gè)不大的機械力或溫差力來(lái)實(shí)現。例如，后者可以由 CO₂激光器加熱來(lái)提供。對于化學(xué)強化或熱強化玻璃，工件內部的應力可以實(shí)現自動(dòng)沿外部輪廓分離，因此無(wú)需再額外增加其他環(huán)節。圖4為皮秒超快激光玻璃異形切割的效果圖。

圖5 皮秒激光玻璃切割平臺

如圖5所示，本系統主要包括皮秒紅外固體激光器、光束變換系統、光束聚焦系統和真空吸附直線(xiàn)電機運動(dòng)平臺。

采用激光加工設備，同時(shí)通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)的工作臺來(lái)完成平面或三維工件的加工，可實(shí)現直線(xiàn)、圓弧、直線(xiàn)-圓弧等方式的連續切割^[7]。從激光器的角度來(lái)講，實(shí)際生產(chǎn)中影響玻璃切割品質(zhì)的主要因素為激光器的脈沖穩定性與功率穩定性以及是否具有POD功能，穩定性不夠容易造成個(gè)別脈沖點(diǎn)位置沒(méi)有將玻璃切透進(jìn)而在裂片的時(shí)候產(chǎn)生較大的崩邊，若無(wú)POD功能則會(huì )導致在切割異形圖形在拐角、加減速階段出現脈沖點(diǎn)堆積的情況，同樣不利于裂片，容易出現較大的崩邊以及強度差等問(wèn)題。

華日激光器擁有≤2%的脈沖穩定性以及≤1%的功率穩定性，同時(shí)已開(kāi)發(fā)出完整的POD功能，能夠保證切割過(guò)程中每個(gè)脈沖的穩定性以及脈沖點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，目前華日激光器能做到切割崩邊＜5 μm,裂片后崩邊＜10 μm，邊沿光滑整齊，切割端面細膩的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品（如圖6）。

激光切割玻璃是一項創(chuàng )新技術(shù)，目前已在切割觸摸顯示類(lèi)玻璃、手機背板玻璃的應用中進(jìn)入實(shí)用階段。實(shí)現了新型玻璃的高效和低成本切割。從長(cháng)遠來(lái)看，采用激光切割玻璃具有明顯優(yōu)勢，使得激光成為一種替代傳統機械切割，用于信息顯示領(lǐng)域制造的可行手段。