激光束從玻璃的上表面入射,聚焦到與入射面相對的另一側(cè)的內(nèi)表面。與玻璃亞表面雕刻不同,被激光剝離出來的的基底材料會很容易地飄離加工區(qū)域。通過適當(dāng)而精確的控制激光焦點(diǎn)的位置,就可以實現(xiàn)在玻璃內(nèi)任意一個截面進(jìn)行高精度并具重復(fù)性的打孔。這種加工工藝主要具有以下幾個優(yōu)點(diǎn):
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由于加工中剝離出來的玻璃粉塵不影響到激光束,避免了粉塵引起的等離子體激發(fā)過程,進(jìn)而避免了對加工質(zhì)量的影響,從而保證加工的高度精確和可重復(fù)性;孔的深寬比可以分別獨(dú)立選擇而幾乎不受任何限制,也不會有精度上的損失;正如圖中所示的高寬比達(dá)到50的孔,深寬比更大的孔也能容易實現(xiàn);孔的橫載面可以沿著孔的深度方向變化,孔的中部被展寬,形成類似金字塔樣的結(jié)構(gòu),而這也是其它加工手段所無法實現(xiàn)的。通過層層剝離切割,可以在玻璃或類似玻璃的材料中加工出幾乎任意一種三維結(jié)構(gòu)。超精玻璃鉆孔, 橫截面隨深度變化的孔(圖所示樣品的孔中添加了彩色液體以易于觀察)。
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在以往的激光玻璃加工中,通常都只使用遠(yuǎn)紅外或紫外激光。這是由于玻璃對激光的吸收局限于遠(yuǎn)紅外和紫外波段(參圖). 而固體激光器的激光波長為1µm左右, 它的二倍頻波段在玻璃內(nèi)則幾乎是完全透明的,因此只有極少一部分激光能量能被吸收并轉(zhuǎn)換為熱。
如果能夠把短脈寬高強(qiáng)度的激光脈沖聚焦成一個很小的點(diǎn),在焦點(diǎn)處就可以達(dá)到很高的強(qiáng)度(功率密度)。當(dāng)焦點(diǎn)處的光強(qiáng)超過閾值Is時,會引發(fā)介質(zhì)中的原本很少的自由載流子產(chǎn)生雪崩效應(yīng),密度急劇增加,引起介質(zhì)對電磁輻射吸收系數(shù)的大幅度增加。這時,被吸收的激光能量使一小部分材料融化并蒸發(fā)。這一過程的特別之處在于,激光與材料的相互作用僅僅局限于焦點(diǎn)處,焦點(diǎn)以外的材料不會被激光影響。
這種非線性吸收過程的閾值強(qiáng)度Is非常高,通常需達(dá)到109~1010W/cm2。為了達(dá)到如此高的強(qiáng)度,需要滿足兩個條件:其一,激光的光束質(zhì)量要足夠好,以保證能將其聚焦成很小的點(diǎn);其二,激光器需工作于調(diào)Q模式,以輸出高峰值功率的激光脈沖。半導(dǎo)體激光器泵浦的調(diào)Q固體激光器結(jié)合了上述兩個特點(diǎn),并且成熟的商業(yè)化產(chǎn)品已推出市場多年,其中常見的是Nd:YAG和Nd:YVO4激光器。
上圖所示的是鉆有1000多個錐形孔,厚為2mm的玻璃晶元樣品,鉆孔速度為5秒/孔。全尺寸的觸摸屏面板切割,以及三維結(jié)構(gòu)的太陽能玻璃聚光器的切割,也可以通過逐層掃描切割實現(xiàn)。下圖是玻璃切割的樣品。以厚度為0.7mm的觸摸屏玻璃切割為例,等效切割線速度可以達(dá)到10mm/s。
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