玻璃加工新紀(jì)元：激光技術(shù)的革新應(yīng)用

玻璃材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)特性、透光性、耐腐蝕性、隔熱性、絕緣性、生物相容性且表面光滑，因而被廣泛應(yīng)用。在日常生活中，玻璃是很受歡迎的一種建筑材料和裝飾材料，高樓大廈以及交通工具都常用到。隨著現(xiàn)代化生活水平的不斷提高，玻璃開(kāi)始出現(xiàn)在城市濱水區(qū)域人文景觀中，如用于保證江河航道防洪安全的擋水建筑物（防洪墻）逐漸利用玻璃建造，通透式玻璃防洪墻與航道濱水區(qū)域的空間景觀相協(xié)調(diào)，營(yíng)造出適合城市居民休憩親水的宜人環(huán)境。在工業(yè)生產(chǎn)中，接觸酸、堿的容器和元件一般也是用能耐大多數(shù)無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸等腐蝕的玻璃材料制造的，且表面光滑潔凈。在科技領(lǐng)域中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件光伏玻璃、晶體硅電池的玻璃蓋板、電子工業(yè)用的玻璃布、集成電路玻璃基底、手機(jī)屏玻璃、電視玻璃屏幕等都是玻璃材料的。在普通制造業(yè)中，通常也在金屬部件上熔覆玻璃材料，以加強(qiáng)機(jī)械部件的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

激光加工技術(shù)

激光有很高的相干性，利用光學(xué)系統(tǒng)可以使激光束會(huì)聚成面積很小的光斑，激光的亮度很高，會(huì)聚的光斑內(nèi)光功率密度（或光能量密度）很高，可瞬間加熱熔化大多數(shù)材料（或使材料汽化），在被照射的材料上留下一個(gè)洞，實(shí)現(xiàn)打孔加工。如果移動(dòng)激光束，就可以把材料給切割開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)切割加工。如果激光照射斑點(diǎn)落在兩塊材料的交接處，被熔化的部分冷卻后便把這兩塊材料“焊接”在一起了，實(shí)現(xiàn)焊接加工。用激光束替代傳統(tǒng)的鉆頭、刀具、焊槍等，對(duì)材料進(jìn)行打孔、切割、焊接等加工，就是激光加工技術(shù)。激光加工的精度很高，如可以打直徑小于1微米的孔。只要激光器輸出的激光功率穩(wěn)定，就能加工出尺寸和形狀統(tǒng)一的小孔。如在電子工業(yè)生產(chǎn)中，激光技術(shù)能在多層印刷電路板上加工出成千上萬(wàn)個(gè)直徑為亞毫米級(jí)的小孔。同時(shí)，由于光學(xué)系統(tǒng)可以控制激光光束朝任意方向擺動(dòng)，畫出各種形狀的平面圖形或者立體圖形，這意味著利用激光束能夠很方便地進(jìn)行各種形狀的零件加工，雕刻出各種精美的鏤空?qǐng)D案，這是傳統(tǒng)加工技術(shù)很難做到的。此外，用激光束還可以進(jìn)行隔空加工，即可以在被密封在其他物體內(nèi)的材料上加工。

玻璃加工技術(shù)

玻璃是脆性材料，采用傳統(tǒng)加工技術(shù)往往會(huì)出現(xiàn)破裂、切口有碎屑、切縫不平直、表面有壓潰層等現(xiàn)象。

即使采用激光加工技術(shù)，也會(huì)遇到因?yàn)榧す庹丈洳课慌c非照射部位之間存在較大溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃材料出現(xiàn)裂紋或者斷裂等缺陷。研究表明，通過(guò)選擇合適的激光參數(shù)并添加一些輔助工藝，能夠避免這些加工缺陷，獲得切縫平直、無(wú)碎屑、無(wú)顯微裂紋的玻璃成品。

選擇合適的激光參數(shù)

激光參數(shù)主要包括激光脈沖寬度、激光波長(zhǎng)和激光功率。

激光脈沖寬度。加工使用的激光可以是連續(xù)波的、長(zhǎng)脈沖的，也可以是短脈沖的。連續(xù)波激光和長(zhǎng)脈沖激光加工是一個(gè)復(fù)雜的熱加工過(guò)程，玻璃在激光照射加熱下會(huì)形成熔融相，產(chǎn)生熱應(yīng)力，易導(dǎo)致玻璃材料碎裂。而短脈沖（特別是飛秒）激光加工時(shí)，情況便會(huì)不一樣，因?yàn)檫@么短的脈沖持續(xù)時(shí)間比絕大多數(shù)物理化學(xué)過(guò)程的特征時(shí)間（如電子弛豫時(shí)間及電子-聲子弛豫時(shí)間等）都要短，這時(shí)候激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)制將發(fā)生改變，打孔、切割等加工將以非加熱的形式完成，通常稱為“冷加工”，也就避免了由熱應(yīng)力導(dǎo)致玻璃材料出現(xiàn)裂紋、碎裂等問(wèn)題。

激光波長(zhǎng)。玻璃材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光的光學(xué)吸收率是不同的，因而采用不同波長(zhǎng)的激光加工會(huì)得到不同的加工質(zhì)量。在使用連續(xù)波或長(zhǎng)脈沖激光時(shí)，材料對(duì)激光能量的線性光學(xué)吸收過(guò)程占主導(dǎo)地位，其光學(xué)吸收有兩種典型形式：一種是表面吸收；另一種是體吸收。其中對(duì)于波長(zhǎng)在5微米以上的激光，玻璃材料對(duì)它的表面吸收率高，如波長(zhǎng)為10.6微米的 CO2激光幾乎全部在玻璃表面被吸收。因此，在利用 CO2激光切割玻璃時(shí)產(chǎn)生的裂紋將從表面開(kāi)始擴(kuò)展，往下繼續(xù)切割時(shí)其裂紋不好控制，結(jié)果是切口質(zhì)量較差，同時(shí)切割的玻璃厚度也受限制，也不能切割多層玻璃。而對(duì)于波長(zhǎng)較短的激光，例如波長(zhǎng)為1064納米的YAG激光，玻璃材料對(duì)它的體吸收率比較高，用它切割玻璃材料就可以得到較高的切割質(zhì)量，切口切縫平直、無(wú)碎屑、無(wú)顯微裂紋，而且還可切割多層玻璃、夾層玻璃和玻璃管，一次完成切割，無(wú)須二次加工。如果使用的是短脈沖激光，特別是飛秒脈沖激光，此時(shí)它與玻璃材料相互作用的非線性光學(xué)吸收過(guò)程占主導(dǎo)地位，這時(shí)候便基本上不會(huì)出現(xiàn)前面提到的加工質(zhì)量問(wèn)題。

激光功率。研究顯示，當(dāng)加工參數(shù)（如激光光斑大小、加工速度等）選定時(shí)，會(huì)有一個(gè)最佳的激光功率，加工時(shí)可避免玻璃工件出現(xiàn)裂紋。

輔助工藝

輔助工藝主要有預(yù)處理、新工藝等。

預(yù)處理。對(duì)待加工的玻璃材料做些預(yù)處理（如預(yù)熱、預(yù)置光學(xué)吸收層等），能夠降低出現(xiàn)裂紋等缺陷的概率。給玻璃材料預(yù)熱可以減少加工時(shí)玻璃材料出現(xiàn)的溫度梯度和熱應(yīng)力，預(yù)熱可以使用外加熱源，也可以用激光束照射。如可用一束會(huì)聚高功率激光束進(jìn)行加工，用另外一束低功率、非聚焦激光照射進(jìn)行預(yù)熱。在利用飛秒激光加工時(shí)，因?yàn)榧す馐跇O短的作用時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的熱量來(lái)不及在材料內(nèi)堆積，通常不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，此時(shí)可不采取預(yù)熱。

另外一個(gè)常用預(yù)處理方式是在玻璃材料表面預(yù)置光學(xué)吸收層。在使用連續(xù)波激光或者長(zhǎng)脈沖激光加工時(shí)，可將二氧化鈰粉末和水的混合物涂覆在玻璃材料表面，晾干后在其表面形成薄光學(xué)吸收層，能夠有效地抑制玻璃開(kāi)裂，并在不影響加工質(zhì)量的前提下提高加工速度。用這個(gè)辦法在硼硅玻璃和石英玻璃上可以加工出深徑比為12以上的微孔。在兩塊玻璃交接面涂鈦薄膜光學(xué)吸收層，做激光焊接的效果也很好，在掃描電鏡下未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)的損傷。本工藝對(duì)使用的光學(xué)吸收層材料有兩個(gè)要求：一是其熔點(diǎn)要高于玻璃材料的熔點(diǎn)，否則將先于玻璃被激光加熱蒸發(fā)，激光能量將主要消耗在光學(xué)吸收材料的蒸發(fā)上，而不能傳遞給被加工的玻璃材料了；二是為了更好地將激光能量耦合至被加工的玻璃材料中，其導(dǎo)熱系數(shù)要相對(duì)較大。

新工藝。通過(guò)采用雙激光束加工和改變加工方式，也有助于避免加工時(shí)遇到的質(zhì)量問(wèn)題。

采用雙激光束進(jìn)行加工，其中一束是主光束，執(zhí)行加工；另外一束是輔助光束，它或者對(duì)玻璃材料預(yù)熱，控制玻璃材料的溫度變化速度，減弱產(chǎn)生的熱應(yīng)力強(qiáng)度，或者改變主光束在玻璃材料的光學(xué)吸收性能。使用的這兩束激光可以是不同種類的，也可以是相同種類的，如使用波長(zhǎng)為 780納米的飛秒激光做主激光束，采用波長(zhǎng)為1070納米長(zhǎng)脈沖激光做輔助激光束，它們聯(lián)合進(jìn)行加工可以有效地避免單束飛秒激光加工過(guò)程通常遇到的加工速度低、易產(chǎn)生損傷的問(wèn)題，大大提高了加工速度。實(shí)踐表明，用這個(gè)辦法可以加工出直徑為 10微米、深度達(dá) 133微米高寬深比、高質(zhì)量的微孔，而且加工速度快，打孔速度是只采用單一飛秒激光束時(shí)的 5000倍以上。又如采用兩束CO2激光切割玻璃材料，先用一束低功率聚焦的CO2激光在玻璃表面劃線，而后用非聚焦的CO2激光沿著該劃線進(jìn)行掃描實(shí)現(xiàn)玻璃切割，結(jié)果顯示，相對(duì)于采用單束CO2激光切割，切面光潔度大大提高。

傳統(tǒng)的激光加工是由上至下進(jìn)行的，當(dāng)改變?yōu)橛上轮辽系募庸し绞剑磳⒓す馔高^(guò)玻璃材料聚焦于其下表面，由底部開(kāi)始往上進(jìn)行加工）時(shí)，激光脈沖寬度區(qū)間將不存在死亡谷（從納秒開(kāi)始，脈寬愈短，激光對(duì)玻璃材料去除率愈低），而且加工質(zhì)量更好，如加工小孔能夠?qū)崿F(xiàn)零錐度打孔，而且玻璃的崩邊尺寸小于 50微米。

應(yīng)用舉例

激光加工玻璃材料技術(shù)在玻璃制造領(lǐng)域已經(jīng)獲得成功應(yīng)用，并取得了較好的效果，下面簡(jiǎn)要舉例說(shuō)明。

加工液晶顯示玻璃基片

液晶顯示玻璃基片是一種超薄型特種玻璃片，最薄已經(jīng)達(dá)到 0.4毫米，有些應(yīng)用于電子產(chǎn)品的玻璃基片厚度甚至只有0.05毫米。它是構(gòu)成顯示面板的關(guān)鍵元件，其質(zhì)量好壞，直接影響其相關(guān)產(chǎn)品（如液晶電視、液晶顯示器等）的質(zhì)量。在顯示玻璃基片的生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)玻璃片進(jìn)行切割、倒角和倒邊等工序，采用傳統(tǒng)加工技術(shù)極易出現(xiàn)斷裂、邊緣碎屑、微裂紋等缺陷，加工質(zhì)量和成品率都受影響。采用激光加工玻璃材料技術(shù)能夠避免出現(xiàn)這些問(wèn)題，切割精度高（小于20 微米）、速度快，切口無(wú)毛刺和裂紋，已成為光電顯示玻璃基片加工制造廣泛應(yīng)用的技術(shù)。

加工石英玻璃微孔

微孔（直徑小于300微米）加工是微器件制造中的重要工序，在微流體器件制造、電子封裝等領(lǐng)域通常要求加工高深徑比、高精度微孔。在精密制造領(lǐng)域，對(duì)微孔的尺寸及質(zhì)量要求很高，使用傳統(tǒng)加工技術(shù)往往不能滿足要求，利用激光加工玻璃材料技術(shù)，尤其是采用飛秒激光是最為適合的加工手段，它能夠加工出孔徑為 72微米、深度為 1824微米、深徑比達(dá)到 25.3：1的優(yōu)質(zhì)微孔。

加工太陽(yáng)能光伏玻璃小孔

在太陽(yáng)能光伏制造業(yè)上，光伏玻璃是其重要組件，它主要分為面板玻璃和背板玻璃，背板玻璃用玻璃替代傳統(tǒng)組件背板材料 PVDF薄膜（可燃），以提高組件防火、防水等級(jí)，降低電勢(shì)誘導(dǎo)衰減，延長(zhǎng)組件的使用壽命。背板玻璃制作中最重要的工序是加工小孔，而且常常是異形孔，采用傳統(tǒng)加工技術(shù)比較難滿足要求，利用激光加工玻璃材料技術(shù)能獲得比較好的加工質(zhì)量（精度高、穩(wěn)定性好、孔壁光滑），又能方便地打異形孔，同時(shí)加工速度快；此外，加工后無(wú)須沖洗、打磨、拋光等二次加工，降低了制造成本。

在金屬管道表面制備玻璃涂層

管道是繼鐵路、公路、海運(yùn)、航空之后的第五大運(yùn)輸方式，承擔(dān)著各種能源、熱力及物料的輸送任務(wù)，并以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)得到迅速發(fā)展。石油管道在石油工業(yè)中占有重要地位，但金屬管道容易腐蝕，會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失甚至災(zāi)難性的事故，同時(shí)也限制了其在工業(yè)中的使用范圍。因此需要解決金屬管道的防腐蝕問(wèn)題，在金屬材料表面制備玻璃涂層是解決這個(gè)問(wèn)題的重要手段。預(yù)置或同步送入待處理的玻璃材料粉末，在高能激光束作用下該玻璃粉末將與基體材料表面同時(shí)熔化，形成玻璃熔化物質(zhì)薄層，基體材料表面因此變得更耐磨、耐腐蝕、耐熱、抗氧化。

β光源玻璃管封接

β光源是一種利用β粒子致熒光材料發(fā)光的自發(fā)光光源，即它是無(wú)須外加電源的光源。一些放射性物質(zhì)（如氚、碳-14、鍶釔-90、銫-137等）會(huì)發(fā)射β粒子，把這種物質(zhì)與熒光物質(zhì)放置在玻璃管內(nèi)即做成β光源。因?yàn)檫@種光源不需要電源，因此應(yīng)用范圍很廣，特別是在一些難以鋪設(shè)電路的地方，如抗災(zāi)搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)、油田、礦山的安全區(qū)標(biāo)識(shí)和照明，水下救援等通常都用到它，往往還是不可替代的光源。制造β光源的關(guān)鍵技術(shù)難題是玻璃管的封接，采用傳統(tǒng)的火焰熱熔封接，在封接過(guò)程中的熱量難以精確控制，無(wú)法保證封口處均勻受熱以及玻璃管內(nèi)部熱量的擴(kuò)散，將會(huì)造成玻璃管的密封性不好，影響玻璃管內(nèi)β粒子發(fā)射源材料和發(fā)光材料的特性，從而影響β光源的發(fā)光效率和使用壽命。而利用激光加工玻璃材料技術(shù)能夠很好地解決玻璃管封接的技術(shù)問(wèn)題，封口光滑、密封性好，封接過(guò)程中管內(nèi)的材料性能也幾乎不受影響。

加工石英擺片

作為慣性導(dǎo)航儀表或遙控遙測(cè)儀表的石英撓性加速度計(jì)，在航天、航空技術(shù)領(lǐng)域占有非常重要的地位。石英擺片作為石英撓性加速度計(jì)的核心器件，其平面度、平行度、擺梁共面度、成型尺寸精度以及表面質(zhì)量等，直接影響加速度計(jì)測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性。但是，石英擺片的形狀復(fù)雜，尺寸又小，厚度僅為0.66～0.76毫米，其中關(guān)鍵部分的懸臂梁結(jié)構(gòu)和三凸臺(tái)結(jié)構(gòu)厚度只有20微米左右，石英擺片“C”槽部分的縫寬也只有0.3±0.1毫米。傳統(tǒng)加工技術(shù)往往達(dá)不到這個(gè)技術(shù)要求，激光加工玻璃材料技術(shù)卻能夠加工出優(yōu)質(zhì)的石英擺片，保證石英撓性加速度計(jì)的高精度。

加工玻璃表面微結(jié)構(gòu)

激光加工玻璃材料技術(shù)還能夠在玻璃材料表面制造精細(xì)的微結(jié)構(gòu)（如微小凸起或下凹結(jié)構(gòu)等），而且加工速度快。如在太陽(yáng)能設(shè)備蓋板玻璃表面制作微結(jié)構(gòu)，就能減少蓋板玻璃對(duì)太陽(yáng)光的反射損失，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；在玻璃光學(xué)元件表面制作微結(jié)構(gòu)，可提高光學(xué)元件成像的均勻性和清晰度，大大提升儀器的成像質(zhì)量；在玻璃表面加工微通道，可以實(shí)現(xiàn)微流體的注入及流動(dòng)，這在分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值，如可將這些微通道模擬成生物的毛細(xì)血管，模擬血管內(nèi)血液或藥物流動(dòng)，助力科學(xué)研究。

結(jié) 語(yǔ)

雖然玻璃有很多優(yōu)點(diǎn)，但其脆性特征使得對(duì)它的精密加工難度很大。利用近年發(fā)展起來(lái)的激光加工技術(shù)，通過(guò)調(diào)整激光的波長(zhǎng)、功率和脈沖寬度，并添加預(yù)熱、預(yù)應(yīng)力等手段，可在玻璃材料加工過(guò)程中避免出現(xiàn)微裂紋、碎裂等現(xiàn)象，獲得精度高、質(zhì)量好的玻璃構(gòu)件成品，在現(xiàn)代微電子制造業(yè)、太陽(yáng)能設(shè)備制造業(yè)、顯示制造業(yè)、航空航天制造業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

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