玻璃具有其他材料所不具備的獨(dú)特性能。它擁有極好的光學(xué)性能，能反射、彎曲、透射和吸收光線，在整個(gè)可視范圍內(nèi)甚至更遠(yuǎn)，都具有較高的透明度。從化學(xué)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(xué)品的容器。從熱力和電力方面來看，玻璃是一種絕佳的絕緣體。從物理性能來看，玻璃表面堅(jiān)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(zhàn)，例如一旦玻璃具備極好的抗拉強(qiáng)度，就變得易碎。

 

    因此，處理玻璃的方法和其應(yīng)用都需要從長(zhǎng)計(jì)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(xiàn)在美索不達(dá)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(jìn)，從手工加工演變?yōu)楝F(xiàn)今的高科技工業(yè)工藝，出現(xiàn)了眾多玻璃類別和應(yīng)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(duì)于玻璃成品進(jìn)行加工的工藝止步不前。

 

    通常一個(gè)小裂紋就會(huì)造成玻璃破碎。一旦微裂紋在玻璃的某個(gè)部位形成，它就會(huì)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(fā)展的技術(shù)使其可制成結(jié)構(gòu)更小，且形狀各異的玻璃來應(yīng)用于不同領(lǐng)域。傳統(tǒng)的精確方法，如光刻和電子束光刻等來加工玻璃，但這些技術(shù)過于昂貴，不易操作，特別是大面積使用。現(xiàn)今，激光技術(shù)提供了加工玻璃的最精確方法。最直截了當(dāng)?shù)姆椒ň褪窃诓ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)利用單光子吸收，玻璃在紅外線或紫外線下不會(huì)高度透明。

 

    但是，直接吸收會(huì)產(chǎn)生一些問題，包括不良熱影響以及形成熱影響區(qū)，這會(huì)產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重危害玻璃的機(jī)械穩(wěn)定性。此外，在玻璃表面下方進(jìn)行加工，制造三維結(jié)構(gòu)，需要使用高透明度波長(zhǎng)。雖然納秒脈沖激光器可以用于在玻璃中制造次表層結(jié)構(gòu)（如圖1），玻璃的物理機(jī)制會(huì)對(duì)微處理的精細(xì)程度造成限制，也會(huì)產(chǎn)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(duì)玻璃進(jìn)行激光加工示例。

 

     近年來，一種激動(dòng)人心的替代性工藝已投入工業(yè)應(yīng)用，即使用超快激光器在近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)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(shù)太瓦，引發(fā)復(fù)雜多樣的工藝，如同時(shí)多光子吸收、雪崩和碰撞電離，造成對(duì)玻璃基質(zhì)高度局域化的破壞，同時(shí)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極其適度，對(duì)該部位（甚至是聚焦體積）造成的熱影響可以忽略不計(jì)。這一方法通常被稱為“冷消融”，可以用來制造極為精確的3D結(jié)構(gòu)。和其他微制造技術(shù)相比，飛秒激光微制造透明材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（圖2）。

 

 

 圖2：由光纖激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖在玻璃上快速打標(biāo)。

 

      首先，由于非線性吸收機(jī)制，激光感應(yīng)變型被局限于聚焦體積。使用掃描或輸樣微處理，可以實(shí)現(xiàn)幾何上難度較大的三維結(jié)構(gòu)。其次，材料獨(dú)立的非線性吸收工藝使得在透明材料中形成光學(xué)設(shè)備等精細(xì)結(jié)構(gòu)成為可能（圖3）。

 

  

圖3：飛秒激光器/透明材料相互作用原理圖。

 

     飛秒激光微加工由一種叫做“激光感應(yīng)光學(xué)擊穿”的現(xiàn)象引起。在這一過程中，飛秒激光器的光學(xué)能量被輸送到加工過的材料上，激發(fā)出很多電子，促使電子離子化，并將能量向晶體運(yùn)輸。隨后，材料發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或相位交替，造成折射率永久性改變，甚至在焦點(diǎn)處留下一個(gè)孔。

 

     要理解為什么超快脈沖最適用于微加工，需要從材料加工的時(shí)間尺度這個(gè)角度來看待。大家都了解激光器在加工過程中對(duì)材料造成的損害，但飛秒脈沖激光器和持續(xù)時(shí)間超過皮秒的脈沖激光器所產(chǎn)生的損害存在重大差異。在大多數(shù)材料中，聲子是熱效應(yīng)最主要的原因，它至少需要1皮秒的激光曝光來激發(fā)。而對(duì)于飛秒激光器脈沖來說，曝光時(shí)間要低于這一限定。因此，由于飛秒脈沖不到1皮秒就會(huì)中止，離子不會(huì)被電子熱激發(fā)。焦點(diǎn)區(qū)外的導(dǎo)熱被降到最小，從而增加加工的精度。此外，飛秒激光材料加工具有高準(zhǔn)確性，因?yàn)樵斐晌招?yīng)的種子電子是通過非線性電離化產(chǎn)生，并不需要缺陷電子。由于非線性激發(fā)的重復(fù)性和限制，飛秒激光微加工可以用于實(shí)際用途，而其他方法則行不通。

 

     由于這一加工所需脈沖能量相對(duì)較高，所以直到最近，使用超短脈沖加工玻璃雖為人熟知卻并未得到廣泛應(yīng)用。

 

      能提供這一級(jí)別脈沖能量的激光器只有固體激光器，其操作相對(duì)復(fù)雜，且價(jià)格昂貴。在過去的幾年光纖激光器技術(shù)不斷進(jìn)步，已能夠提供短脈沖和高質(zhì)量光束，成為固體激光器的重要替代產(chǎn)品。

 

     此外，光纖激光器更為劃算、緊湊、可靠，而且由于其不需要校準(zhǔn)，因此也更易于操作。微焦耳范圍內(nèi)的超快光纖激光器設(shè)計(jì)人性化，價(jià)格便宜，其發(fā)展正將這一技術(shù)從利基應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N被廣泛采用的工業(yè)加工工具（圖4）。應(yīng)用范圍包括產(chǎn)品認(rèn)證，玻璃切割，以及次表面光波導(dǎo)等。

 

圖4：飛秒光纖激光器切割玻璃示例。

 

      在超短脈沖作用下對(duì)金屬進(jìn)行表面紋理化和粗化處理，結(jié)果顯示，其對(duì)工藝的控制和精度都非常滿意，能粗化處理生物醫(yī)學(xué)植入片來增加細(xì)胞粘合度，能夠?qū)EDs和太陽能電池進(jìn)行薄膜蝕刻，使其增效。使用噴砂處理和化學(xué)蝕刻等常用方式對(duì)玻璃表面進(jìn)行紋理化處理，其精度適中，對(duì)式樣有一定的限制，而且通常會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，降低了成品玻璃的耐用性。

 

     因此，光纖激光器在玻璃表面紋理化處理中有著相當(dāng)重要的作用，特別是像制造疏水性/親水性玻璃表面等應(yīng)用。近來，使用超短脈沖激光器對(duì)玻璃表面加工能夠達(dá)到同樣甚至更好的潤濕性，其表面加工應(yīng)用前景一片光明。他們能全面控制表面加工的流程模式，使其得以最優(yōu)化液態(tài)玻璃相互作用。超短脈沖光纖激光器的另外一種極具前景的應(yīng)用是焊接玻璃。最為廣泛的應(yīng)用方法是使用化學(xué)物質(zhì)將兩塊玻璃粘貼在一起。這一方法最大的缺陷在于所使用的大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)會(huì)釋放出一些氣體，從而造成玻璃間的粘結(jié)力量不斷減弱。另外一種方法是將玻璃表面拋光后，將兩塊玻璃放在一塊，然后通過熱處理粘貼在一起。這一方法也存在缺陷，特別是對(duì)兩種不同類型的玻璃進(jìn)行粘貼時(shí)。由于玻璃的熱膨脹系數(shù)不同，經(jīng)過熱處理后玻璃間的粘結(jié)力量也會(huì)變?nèi)?。近來，高重?fù)頻率（兆赫）和高脈沖能量（微焦耳）超短脈沖激光器已開始應(yīng)用于玻璃焊接。當(dāng)超短脈沖聚焦于需要焊接的兩塊玻璃的交會(huì)處，每塊玻璃都會(huì)溶化一小塊，然后在一塊冷卻，從而形成強(qiáng)大的粘結(jié)力量。正確地選擇最佳的超短激光器進(jìn)行焊接，可獲得和玻璃本身一樣的粘結(jié)力量（圖5）。

 

 

圖5：使用飛秒脈沖對(duì)兩塊玻璃進(jìn)行激光粘結(jié)。

 

     在光學(xué)和光子學(xué)行業(yè)中的另外一個(gè)重要應(yīng)用，也許只能利用超短脈沖激光器來完成在玻璃內(nèi)部刻寫波導(dǎo)，從而以三維的方式引導(dǎo)光。當(dāng)超短脈沖聚焦于玻璃內(nèi)部，在聚焦體積上發(fā)生折射率的變化，通常是折射率變大。通過使用位移平臺(tái)來掃描玻璃，折射率增大的區(qū)域可以用于形成路徑。和光纖工作原理類似，光可以使用全內(nèi)置反射機(jī)制，通過這些路徑進(jìn)行引導(dǎo)。

 

     使用這一方法可以用三維光子來將光從一個(gè)地方引導(dǎo)和傳遞到另一個(gè)地方，組合或分離不同波長(zhǎng)的光，在玻璃內(nèi)部制造光柵或棱鏡結(jié)構(gòu)等。因此，在玻璃內(nèi)部進(jìn)行超短激光波導(dǎo)刻寫（圖6）極為重要，因?yàn)楣怆娂夹g(shù)有望主導(dǎo)通信、生物醫(yī)藥和傳感器技術(shù)等主要由電子技術(shù)支撐的技術(shù)。

 

 

 圖6：直觀展示在玻璃內(nèi)部刻寫波導(dǎo)的原理圖。

 

      飛秒激光微加工為三維、材料和亞波長(zhǎng)精確加工提供了獨(dú)特的性能，也讓在玻璃等透明材料中進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)制造成為可能，而且比光刻更為簡(jiǎn)便。飛秒微加工領(lǐng)域正飛速發(fā)展，這一技術(shù)有望突破微加工領(lǐng)域。這是一種為激光業(yè)開創(chuàng)新領(lǐng)域和新市場(chǎng)的技術(shù)，并將推動(dòng)頂尖應(yīng)用的發(fā)展，以不同的方式影響未來的技術(shù)。