利用飛秒超快激光對玻璃進(jìn)行切割—成絲效應
超快激光也稱(chēng)為超短脈沖激光，它表示的是激光輸出的時(shí)間尺度特性。
在納秒脈沖和飛秒脈沖對工作物質(zhì)進(jìn)行銷(xiāo)蝕（ablation）作用的機理中，普通納秒脈沖作用在工作物質(zhì)上時(shí)，工作物質(zhì)會(huì )吸收激光的能量，造成工作區域升溫從而產(chǎn)生熱效應，而飛秒脈沖則是通過(guò)雙光子吸收過(guò)程晶格直接吸收能量，雖然當作用時(shí)間積累到一定程度上時(shí)，納秒激光和飛秒激光的作用機理一致，但是飛秒激光可以實(shí)現更低的熱影響，實(shí)現更高的加工精度。
在切割玻璃的時(shí)候，一個(gè)比較典型的應用，就是采用成絲的方式切割玻璃。
什么是成絲效應？
超短脈沖激光往往具有非常高的峰值功率，所以它在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)特殊的現象——光絲效應。由于超快激光功率密度太高，在空氣介質(zhì)中會(huì )產(chǎn)生自聚焦效應，聚焦到一定閾值之后把空氣電離然后發(fā)散。根據這個(gè)原理，我們就可以在玻璃介質(zhì)中通過(guò)光束整形的方式，使得光束在玻璃中成絲，實(shí)行連續的玻璃結構改進(jìn)，使得玻璃層分離。
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，如果采用burst工作，每個(gè)burst中3個(gè)脈沖，這樣就可以使得單脈沖能量變成20 μJ，放大級的脈沖峰值功率降低，減輕放大級的器件壓力，可提高整機的穩定性和成本優(yōu)勢。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)。
常規應用
1）玻璃切割
圖1 皮秒激光玻璃切割實(shí)驗平臺
圖2 皮秒激光切割LCD屏幕
圖3 3 mm玻璃切割
采用超快激光進(jìn)行玻璃切割目前已是比較成熟的工藝，圖1中的皮秒激光切割平臺，可對LCD屏幕進(jìn)行切割。采用華日激光的30 W皮秒激光器進(jìn)行LCD切割，可達到崩邊量小于20 μm，熱影響區小于50 μm，速度大于50 mm/s。而采用華日激光的50 W皮秒激光器，通過(guò)變焦點(diǎn)兩次切割的方式，可實(shí)現對3 mm厚的玻璃進(jìn)行切割，速度200 mm/s，崩邊量小于10 μm。
2）玻璃鉆孔
在太陽(yáng)能行業(yè)中廣泛應用的絨面玻璃，可使用短脈沖高能綠光激光器進(jìn)行絨面玻璃鉆孔。使用華日Spruce系列的30 W窄脈寬納秒綠光激光器，采用集成一體式振鏡的2.5D切割系統，能順利完成厚度為2.5 mm的絨面玻璃打孔，且打孔效果良好，玻璃周?chē)鸁o(wú)白邊、毛邊以及崩邊現象，良品率可以控制在99.8%以上。
3）玻璃雕刻
工藝要求：在石英玻璃上，標記直徑為0.4 mm的圓陣列，線(xiàn)寬10 μm，深度2 μm。工藝效果：線(xiàn)寬10μm左右，深度2.1μm，無(wú)崩邊，無(wú)裂紋。
4）在脆性材料上可進(jìn)行玻璃標記，如產(chǎn)品logo、二維碼、日期等。
前沿應用
1）TGV—Through Glass Via 技術(shù)
5G技術(shù)的飛速發(fā)展對RF射頻芯片和天線(xiàn)陣列的制作和封裝技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。
以玻璃作為基質(zhì)材料的RF芯片，采用了Through Glass Via技術(shù)，通過(guò)在玻璃基底上打微型通孔對RF芯片進(jìn)行封裝或構建天線(xiàn)陣列，可實(shí)現更低的射頻損耗和更高的封裝密度，尤其適合5G技術(shù)的RF和天線(xiàn)芯片制作。
傳統的在玻璃上打微孔的TGV技術(shù)，一般采用準分子激光對玻璃結構進(jìn)行改性，然后再用濕法進(jìn)行蝕刻的工藝流程。但由于準分子激光設備較大、價(jià)格較高，目前已有研究小組采用華銳飛秒激光代替準分子激光來(lái)對玻璃進(jìn)行改性，即為使用飛秒激光的改進(jìn)型TGV工藝，能取得準分子激光類(lèi)似的結果。
使用準分子激光的傳統TGV工藝
使用飛秒激光的改進(jìn)型TGV工藝
2）飛秒激光直寫(xiě)光波導
1994年，日本科學(xué)家發(fā)現飛秒激光在與玻璃相互作用時(shí)會(huì )使得作用區域的折射率發(fā)生變化，并可用于刻寫(xiě)光波導以來(lái)，飛秒激光直寫(xiě)光波導技術(shù)已用于無(wú)源波導、分束器、耦合器、電光調制器、倍頻光波導、光波導型放大器、光波導激光器等器件的構建，近年用于光量子芯片的構建已成為一個(gè)國際性的熱點(diǎn)。材料也不再局限于玻璃，已拓展至晶體、高分子以及透明陶瓷等材料。伴隨著(zhù)5G技術(shù)對通信硬件的更高要求，飛秒直寫(xiě)光波導技術(shù)將重新成為熱門(mén)。
飛秒激光直寫(xiě)波導示意圖
3）飛秒激光刻寫(xiě)光柵
如果采用功率較低的飛秒脈沖，作用區域先融化后再凝固，會(huì )導致折射率和密度的改變，適合應用在飛秒輔助TGV工藝和飛秒直寫(xiě)光波導；功率密度比較高的時(shí)候，作用區域晶格結構解體，產(chǎn)生微孔和裂紋，可以進(jìn)行玻璃切割、鉆孔、標記；而功率密度在兩者之間的時(shí)候，它的作用區域就可能會(huì )形成雙折射與波長(cháng)相關(guān)的周期性變化結構，適用于進(jìn)行光柵結構的制作。
飛秒激光在光纖內部形成光柵的周期性結構
未來(lái)幾年，5G技術(shù)和5G相關(guān)的消費電子制造技術(shù)換代是玻璃加工技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。針對5G時(shí)代玻璃加工技術(shù)的發(fā)展需求，超快激光玻璃加工技術(shù)大勢所趨。
伴隨著(zhù)5G時(shí)代的來(lái)臨，5G技術(shù)的發(fā)展對從移動(dòng)終端到通信硬件中的制造技術(shù)提出了更高要求，主要體現在精度、效率和復雜結構/特殊材料的加工三個(gè)方面。超快激光基于其與物質(zhì)相互作用的特性，成為5G時(shí)代3C行業(yè)中的最佳制造工具。隨著(zhù)5G技術(shù)的發(fā)展和普及，超快激光也即將迎來(lái)它的“主場(chǎng)”和爆發(fā)期。
