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超快激光应用于玻璃加工

导读: 从物理性能来看,玻璃表面坚硬,防刮耐磨,近年来通过各种方法,玻璃甚至具备了弹性。但是,也正是这些性能使得玻璃加工面临着更大挑战

  璃是一种透明的类固体材料,在人们日常生活中应用广泛。玻璃的应用范围在不断扩大,尤其是和其他材料相结合能更多地应用于高科技领域。玻璃由碳酸钠、石灰石和沙子等常见的材料制成。这些材料在高温条件下(约1500℃)溶化,就像液体一样,可以被灌注、吹制、压制和模塑成各种形状。但在室温下,玻璃就成为固体,冷却后由于机械性能的改变会变得难以加工处理。

  玻璃具有其他材料所不具备的独特性能。它拥有极好的光学性能,能反射、弯曲、透射和吸收光线,在整个可视范围内甚至更远,都具有较高的透明度。从化学性能来说,玻璃是一种抗腐蚀的惰性材料,可以作为很多化学品的容器。从热力和电力方面来看,玻璃是一种绝佳的绝缘体。从物理性能来看,玻璃表面坚硬,防刮耐磨,近年来通过各种方法,玻璃甚至具备了弹性。但是,也正是这些性能使得玻璃加工面临着更大挑战,例如一旦玻璃具备极好的抗拉强度,就变得易碎。

  因此,处理玻璃的方法和其应用都需要从长计议。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现在美索不达米亚和埃及,首先被用来制作珠宝,随后被用来制作壶。之后,加工工艺不断改进,从手工加工演变为现今的高科技工业工艺,出现了众多玻璃类别和应用。尽管玻璃制造历史悠久,但近几十年来由于玻璃的易碎性能,对于玻璃成品进行加工的工艺止步不前。

  通常一个小裂纹就会造成玻璃破碎。一旦微裂纹在玻璃的某个部位形成,它就会蔓延至玻璃边缘,造成破裂。玻璃的这种易碎属性使其难以加工。另外一方面,不断发展的技术使其可制成结构更小,且形状各异的玻璃来应用于不同领域。传统的精确方法,如光刻和电子束光刻等来加工玻璃,但这些技术过于昂贵,不易操作,特别是大面积使用。现今,激光技术提供了加工玻璃的最精确方法。最直截了当的方法就是在波长范围内利用单光子吸收,玻璃在红外线或紫外线下不会高度透明。

  但是,直接吸收会产生一些问题,包括不良热影响以及形成热影响区,这会产生微裂纹,严重危害玻璃的机械稳定性。此外,在玻璃表面下方进行加工,制造三维结构,需要使用高透明度波长。虽然纳秒脉冲激光器可以用于在玻璃中制造次表层结构(如图1),玻璃的物理机制会对微处理的精细程度造成限制,也会产生微裂纹。

  图1:使用纳秒激光器(左图)和使用近红外(NIR)飞秒激光器(右图)对玻璃进行激光加工示例。

  近年来,一种激动人心的替代性工艺已投入工业应用,即使用超快激光器在近红外波长范围内产生次皮秒脉冲。在这一方法中,超短脉冲紧密聚焦于玻璃的大部分或表面,每平方厘米的功率密度超过数太瓦,引发复杂多样的工艺,如同时多光子吸收、雪崩和碰撞电离,造成对玻璃基质高度局域化的破坏,同时几乎不存在能量沉积(只有几微焦甚至更少)。由于每次脉冲所用能量极其适度,对该部位(甚至是聚焦体积)造成的热影响可以忽略不计。这一方法通常被称为“冷消融”,可以用来制造极为精确的3D结构。和其他微制造技术相比,飞秒激光微制造透明材料具有独特优势。

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