薄脆性材料的加工挑戰(zhàn)

  在非金屬加工領(lǐng)域，薄脆性材料的激光加工備受關(guān)注。隨著智能手機(jī)、LED照明、平板電腦、以及可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展迭代，玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷等材料，憑借著自身具備的獨(dú)特優(yōu)質(zhì)屬性而獲得了廣泛應(yīng)用，比如堅(jiān)硬的鋼化玻璃用作于智能手機(jī)的顯示屏；堅(jiān)硬且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的陶瓷用于制作電子零部件襯底和絕緣材料；堅(jiān)硬耐劃的藍(lán)寶石用于LED襯底、手機(jī)攝像頭保護(hù)玻璃、智能手機(jī)顯示屏、智能手表的蓋板玻璃等。

  在這些應(yīng)用中使用的玻璃、藍(lán)寶石或陶瓷等材料，厚度通常較薄，硬度越來(lái)越高，非常易碎。而在加工要求上，上述應(yīng)用通常需要在這些薄脆易碎的材料上實(shí)施非常精密的切割、鉆孔甚至開(kāi)槽等加工過(guò)程，這使得傳統(tǒng)的銑、 鉆、 磨等機(jī)械加工工藝面臨著極大的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴牧蠘O薄極脆，加工過(guò)程中因接觸而施加到材料上的任何應(yīng)力，都可能導(dǎo)致材料碎裂，最終報(bào)廢。

然而，傳統(tǒng)機(jī)械加工方式所面臨的挑戰(zhàn)，卻為非接觸性的激光加工帶來(lái)了更多機(jī)會(huì)。

超快激光應(yīng)對(duì)加工挑戰(zhàn)

  玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石等薄脆性非金屬材料的精密加工，通常使用超快激光。超快激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，在納秒、皮秒甚至是飛秒級(jí)別，將適度的激光能量作用在材料表面，通過(guò)打斷材料的化學(xué)鍵而實(shí)現(xiàn)材料去除目的，在這個(gè)過(guò)程中，激光能量還來(lái)不及向加工范圍周圍傳遞，加工過(guò)程便已結(jié)束，因此產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略不計(jì)，材料不會(huì)產(chǎn)生熱損傷。

隨著這些脆性材料在LED、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越多，致力于這類脆性材料加工的激光器、激光系統(tǒng)及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也不斷增多，他們的努力也促進(jìn)了激光技術(shù)在脆性材料加工領(lǐng)域不斷突破。

（一）漢諾威中心的薄片玻璃鉆孔方案

  2016年12月初，德國(guó)漢諾威激光中心（LZH）和德國(guó)巴伐利亞激光中心（BLZ）聯(lián)合舉辦了一場(chǎng)主題為“玻璃材料的激光加工”的研討會(huì)，主要探討激光玻璃加工領(lǐng)域的最新發(fā)展與趨勢(shì)。

當(dāng)前，激光玻璃加工領(lǐng)域的發(fā)展快速，一些創(chuàng)新的加工過(guò)程和系統(tǒng)，正在使薄片、平板和管狀玻璃產(chǎn)品的加工不斷進(jìn)步。

研討會(huì)上，漢諾威激光中心由Philipp von Witzendorff領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)介紹了一種新穎的薄片玻璃鉆孔方案，其將單個(gè)脈沖與不同的脈沖持續(xù)時(shí)間相結(jié)合，成功避免了鉆孔過(guò)程中在玻璃邊緣出現(xiàn)碎片，加工出的表面非常光滑，能力成功化學(xué)強(qiáng)化薄片玻璃的鉆孔，如用于手機(jī)屏中的強(qiáng)化玻璃。

漢諾威激光中心新開(kāi)發(fā)的玻璃鉆孔工藝，比水射流方式更具成本效益，并且還能加工厚度4mm的玻璃。漢諾威激光中心在玻璃加工方面的創(chuàng)新，為消費(fèi)電子等產(chǎn)品提供了有價(jià)值的推動(dòng)力。

（二）堪稱改變行業(yè)規(guī)則的皮秒混合光纖激光器IceFyre？

在玻璃/藍(lán)寶石加工方面，萬(wàn)機(jī)儀器（MKS Instruments）旗下的光譜物理業(yè)務(wù)部門（Spectra-Physics）在這方面實(shí)力不俗。早在2015年12月，光譜物理就針對(duì)化學(xué)強(qiáng)化玻璃、非強(qiáng)化玻璃和藍(lán)寶石的快速高質(zhì)量切割應(yīng)用，推出了ClearShape飛秒激光器，其能夠達(dá)到1m/s的切割速度，并且切割邊緣無(wú)毛邊碎屑，邊緣粗糙度Ra <0.1μm。

  今年2月Spectra-Physics首次亮相的緊湊型高功率工業(yè)皮秒混合光纖激光器IceFyre，堪稱是一款改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品——集高功率、超短脈沖、前所未有的通用性、重復(fù)頻率可調(diào)、可編程靈活調(diào)節(jié)脈寬、脈沖可按需觸發(fā)等諸多功能及成本優(yōu)勢(shì)于一身。IceFyre在1064nm波長(zhǎng)處提供> 50W的平均功率和高達(dá)> 200μJ的脈沖能量，脈沖重復(fù)頻率可調(diào)節(jié)范圍從單發(fā)脈沖到8MHz，是精密加工藍(lán)寶石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。

IceFyre在性能、成本、尺寸和可靠性方面的表現(xiàn)，是否如其所愿能夠改變工業(yè)微加工激光器市場(chǎng)的游戲規(guī)則？我們拭目以待。