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玻璃材料因其(qi)獨特的(de)理化性質(zhi)(良好的化(hua)學(xue)穩定(ding)性(xing)、熱(re)力學(xue)特性(xing)、透光性(xing)和生物相(xiang)容(rong)性(xing)等)廣(guang)泛應用于傳(chuan)感器(qi)、半導體、生(sheng)(sheng)物醫學、生(sheng)(sheng)物化(hua)學、微(wei)機電(dian)系統(tong)、芯片實驗室(shi)設備、光通(tong)信及光存儲設備等領域的(de)(de)關(guan)鍵部件(jian)制造。但由于其硬脆性的(de)(de)特點，采用常規的(de)(de)機械(xie)或(huo)化(hua)學加(jia)(jia)工(gong)方法在進行刻(ke)蝕(shi)、制孔、焊接(jie)等加(jia)(jia)工(gong)時易產(chan)生(sheng)(sheng)裂紋破損和各種(zhong)缺(que)陷，且加(jia)(jia)工(gong)效(xiao)率低下。激光技術作為一種(zhong)新型的(de)(de)特種(zhong)加(jia)(jia)工(gong)方法，可(ke)將高能脈(mo)沖精(jing)準聚焦到待(dai)加(jia)(jia)工(gong)玻璃材料表面(mian)或(huo)內部，使材料瞬間(jian)熔化(hua)或(huo)氣(qi)化(hua)，實現(xian)非接(jie)觸(chu)加(jia)(jia)工(gong)。與常規加(jia)(jia)工(gong)方式(shi)相比(bi)，具有(you)非接(jie)觸(chu)、加(jia)(jia)工(gong)效(xiao)率及精(jing)度高、柔性高等優(you)點，在玻璃材料加(jia)(jia)工(gong)領域已(yi)有(you)廣(guang)泛的(de)(de)應用與研究。本文(wen)中(zhong)從激光加(jia)(jia)工(gong)玻璃的(de)(de)2種典型工藝(yi)(激(ji)光刻蝕、激(ji)光打(da)孔)入手，總(zong)結歸納(na)了(le)各種激光加工(gong)玻璃工(gong)藝基本原理以(yi)及研(yan)(yan)究進展，旨在推動激光加工(gong)技術在玻璃加工(gong)領域(yu)的進一(yi)步應用，為進一(yi)步的研(yan)(yan)究和(he)發展方向提供有價(jia)值的參考(kao)。

1.   激光刻(ke)蝕(shi)

與傳(chuan)統(tong)刻(ke)蝕(shi)(shi)方法(fa)相比(bi)，激(ji)光(guang)刻(ke)蝕(shi)(shi)具有非接(jie)觸、柔性化、加工速度快、無噪(zao)聲、可聚(ju)焦到激(ji)光(guang)波長(chang)級的非常小光(guang)斑等優點。目(mu)前，常用的激(ji)光(guang)刻(ke)蝕(shi)(shi)方法(fa)有：激(ji)光(guang)直寫刻(ke)蝕(shi)(shi)法(fa)、激(ji)光(guang)誘(you)導(dao)等離子體刻(ke)蝕(shi)(shi)法(fa)、激(ji)光(guang)誘(you)導(dao)背部濕法(fa)刻(ke)蝕(shi)(shi)。

1.1   激光直寫(xie)刻(ke)蝕

激(ji)光(guang)直寫刻蝕(shi)玻璃方(fang)法(fa)，按激(ji)光(guang)波長不(bu)同(tong)主(zhu)要分為(wei)紅外(wai)和紫外(wai)激(ji)光(guang)刻蝕(shi)法(fa)，而按照激(ji)光(guang)脈寬不(bu)同(tong)則可(ke)分為(wei)：連續(xu)激(ji)光(guang)刻蝕(shi)；納(na)秒、皮秒及飛(fei)秒激(ji)光(guang)刻蝕(shi)。YANG等人使用248nm深紫外準(zhun)分子激(ji)(ji)光在石(shi)英玻璃表面(mian)刻(ke)蝕微(wei)通道，試驗中發現激(ji)(ji)光能量密(mi)度是決定石(shi)英玻璃發生(sheng)刻(ke)蝕及裂損的主要因素，無(wu)裂損刻(ke)蝕石(shi)英玻璃的激(ji)(ji)光能量密(mi)度閾值區間應在16J/cm2~30J/cm2；而(er)掃(sao)描(miao)次數的(de)增加(jia)、重復頻(pin)率和(he)微(wei)通(tong)道深度(du)(du)的(de)增大(da)也會加(jia)劇微(wei)通(tong)道的(de)裂損程度(du)(du)，最后(hou)通(tong)過加(jia)工參量的(de)優化(激光能量密度23.5J/cm2，圓弧(hu)段重(zhong)頻為50Hz，直(zhi)線段重頻為40Hz，掃描1次)實現了(le)寬(kuan)度(du)小于(yu)100μm的直線型(深度不大(da)于50μm)和圓弧型微通道(dao)(深(shen)度不大于(yu)28.5μm)的(de)無裂損刻蝕。LI等(deng)人利用波(bo)長為(wei)355nm, 脈寬為10ns~25ns的全固態紫外激光器直寫刻蝕BF33硼硅玻璃微通道，試驗中(zhong)采(cai)用單一(yi)變量(liang)法(fa)探究(jiu)激光能量(liang)密度(du)、重(zhong)復頻(pin)(pin)率、掃描速率等參量(liang)對刻蝕效果(guo)的影(ying)響，試驗結果(guo)表明(ming)，當激光能量(liang)密度(du)過大時(shi)，玻璃易(yi)發生嚴重(zhong)崩邊裂損現象(xiang)，刻蝕深(shen)度(du)減(jian)小；而隨著重(zhong)復頻(pin)(pin)率的減(jian)小，通道碎(sui)裂現象(xiang)減(jian)輕，刻蝕深(shen)度(du)增(zeng)大。YU等人采用波長為1030nm、脈(mo)寬和重復頻率(lv)分別為290fs, 50kHz的飛秒激光器在石英玻璃樣(yang)品上刻蝕線(xian)寬小于1μm的(de)凹(ao)(ao)槽圖(tu)案以制備亞微米金屬線(xian)，研(yan)究了不同(tong)脈沖能量激光(guang)與(yu)燒蝕凹(ao)(ao)槽及機械拋光(guang)后的(de)金屬線(xian)的(de)線(xian)寬之間的(de)關系，如圖(tu) 1所示。結果表明，當脈沖(chong)能量(liang)在0.18μJ以下時(shi)，凹槽(cao)線(xian)寬已降(jiang)低至1μm以下，最終(zhong)在石(shi)英玻璃上制備出(chu)多(duo)種不同圖案且線寬穩(wen)定控(kong)制在0.8μm左(zuo)右的凹槽。

圖(tu) 1  不同脈(mo)沖能量激光燒蝕凹槽及(ji)機(ji)械拋光后金屬線的光學顯(xian)微(wei)圖

1.2   激光(guang)誘導等離(li)子體(ti)(ti)刻(ke)(ke)蝕(shi)與激光(guang)背部(bu)濕法刻(ke)(ke)蝕(shi)

如圖(tu) 2所示，激(ji)(ji)光(guang)誘導(dao)等離子(zi)體刻(ke)蝕和激(ji)(ji)光(guang)背部濕法刻(ke)蝕的(de)(de)(de)實質都是利用激(ji)(ji)光(guang)透過玻(bo)璃(li)(li)后與靶材(cai)互相(xiang)作(zuo)用，產生等離子(zi)體來實現石(shi)英的(de)(de)(de)刻(ke)蝕，從而克服(fu)玻(bo)璃(li)(li)無法直接吸(xi)(xi)收激(ji)(ji)光(guang)脈沖的(de)(de)(de)缺陷，在玻(bo)璃(li)(li)的(de)(de)(de)底面(mian)實現材(cai)料(liao)去除(chu)。兩者的(de)(de)(de)主要區別(bie)在于激(ji)(ji)光(guang)誘導(dao)等離子(zi)刻(ke)蝕的(de)(de)(de)靶材(cai)主要為(wei)不(bu)銹鋼、銅等金屬材(cai)料(liao)，而激(ji)(ji)光(guang)背部濕法刻(ke)蝕則常用甲苯(ben)、丙酮等有機(ji)溶劑作(zuo)為(wei)激(ji)(ji)光(guang)吸(xi)(xi)收介質。

圖 2  激光(guang)誘導(dao)等離子(zi)刻蝕(shi)和(he)激光(guang)背部濕法刻蝕(shi)示意圖

a—激光誘導等離子體刻蝕示(shi)意(yi)圖(tu)(tu)b—激光背部濕法刻蝕示(shi)意(yi)圖(tu)(tu)

在(zai)激(ji)光(guang)誘導(dao)等離子體刻蝕(shi)過程(cheng)中，靶材的選取(qu)(qu)是(shi)刻蝕(shi)的關鍵。只有選取(qu)(qu)在(zai)相應激(ji)光(guang)波(bo)長下具有較高吸(xi)收率的金屬材料，才能保證(zheng)靶材表面形(xing)成(cheng)足夠強大的等離子體并最終形(xing)成(cheng)高速等離子射流對玻(bo)璃材料進行(xing)刻蝕(shi)。HAMDANI等(deng)人利用波(bo)長為1064nm紅外激光在銹(xiu)鋼(gang)(gang)、銀、銅靶(ba)材料上誘(you)導等離子體刻蝕石英(ying)玻璃，結果表明，利用不銹(xiu)鋼(gang)(gang)作為靶(ba)材的去蝕率且3種靶材的去(qu)蝕率(lv)大小排(pai)序為：不銹(xiu)鋼>銅(tong)>銀(yin)，這是由(you)于(yu)黃銅、銀(yin)靶材(cai)對于(yu)1064nm波長(chang)激(ji)光(guang)反(fan)射率較高(gao)，其(qi)中銀靶(ba)材對激(ji)光(guang)的吸收率很(hen)低(di)(約為2 %)，無(wu)法形成足夠(gou)強(qiang)度的(de)等離子體進行刻(ke)蝕(shi)。RAHMAN等人采用波長(chang)為1064nm, 脈(mo)沖寬度(du)為6ns的調(diao)Q Nd∶YAG激光器(qi)，以(yi)鋁作靶材研究激光能量密度(du)(27J/cm2~870J/cm2)和靶-基(ji)材料間的距離(0μm~600μm)對(dui)鈉鈣玻璃上加工出(chu)的微坑直徑和深度的影響(xiang)，試驗結(jie)果如圖 3所(suo)示(shi)。結果表(biao)明(ming)，微(wei)坑(keng)的(de)深度(du)隨著激光能量密度(du)的(de)增(zeng)大而增(zeng)大，并逐(zhu)漸趨于飽和，而微(wei)坑(keng)的(de)直徑(jing)和深度(du)則隨著靶-基(ji)距離的增(zeng)加而(er)線性減小(xiao)。SARMA等(deng)人基于物(wu)理分析和有限元法建立了以鋁為靶材激光誘導等(deng)離子刻蝕加工鈉鈣玻(bo)璃的2維軸對稱非線(xian)性瞬態傳(chuan)熱(re)模型，如圖 4所示，并利(li)用該模型(xing)仿(fang)真激光(guang)誘導(dao)等離(li)子刻蝕過程的溫度場變(bian)化(hua)(hua)以及(ji)激光(guang)參量(liang)變(bian)化(hua)(hua)對刻蝕深度的影(ying)響，之后利(li)用Nd∶YAG激(ji)光器基(ji)于該模(mo)型進行(xing)了大(da)量(liang)試驗，驗證了該模(mo)型對激(ji)光參量(liang)(掃(sao)描速率、激(ji)光功率和脈(mo)沖寬(kuan)度)變化對玻璃燒蝕深度的影響預測的準確性。

圖 3  玻璃表(biao)面(mian)產生微坑(keng)的光學(xue)圖像(xiang)

a—在(zai)不(bu)同入(ru)射激光(guang)能量密(mi)度下(xia)b—在(zai)不(bu)同靶-基(ji)材(cai)料距離(li)下(xia)

圖 4  激光誘導等離子體刻蝕工(gong)藝傳熱模型與溫度場仿真(zhen)

a—2維對稱瞬態傳熱模型b—單次激光脈沖后的溫度(du)分(fen)布

對(dui)于激(ji)光(guang)誘導背部濕法(fa)刻蝕，溶劑(ji)材料種(zhong)類和激(ji)光(guang)工藝(yi)參量(liang)的(de)選(xuan)取(qu)都對(dui)刻蝕質(zhi)量(liang)有較(jiao)大的(de)影響。EHRHARDT等人(ren)以甲苯(ben)溶液為液體介質，采用355nm和266nm的(de)皮秒激光對石英玻璃進行刻蝕(shi)，發現(xian)甲苯溶液中芘的(de)含(han)(han)量對去蝕(shi)率有(you)較大影響，且在一定范圍內芘的(de)含(han)(han)量越(yue)高，去蝕(shi)率越(yue)大。KWON等人提出(chu)在使(shi)用波長為(wei)1064nm、脈寬為(wei)100ns的近(jin)紅外(wai)激(ji)光刻(ke)蝕鈉鈣玻璃的過程中，可通過在(zai)吸收(shou)劑中加入磷(lin)酸抑制(zhi)裂紋的產生，通過對比不同(tong)磷(lin)酸質量分數(0~0.40)的吸(xi)收劑刻蝕(shi)效(xiao)果(guo)(如圖 5所示(shi))發現，加(jia)入磷酸后，可刻蝕深度提(ti)高(gao)了約5倍(從103μm提高到530μm)，且側壁的粗糙度從0.55μm下降到0.16μm；此外，通過調整溶液中的磷(lin)酸濃度，可(ke)以制(zhi)備(bei)出(chu)多種不同形(xing)狀及深寬比的微通道。SUN等人(ren)利用(yong)飛(fei)秒(miao)激光分別(bie)在空氣、水和乙醇(chun)中加工熔(rong)石英玻璃，結果表明，以(yi)乙醇(chun)為吸收介質時，熔(rong)石英玻璃的(de)燒蝕閾值從2.22J/cm2降到了(le)1.02J/cm2，進一步研究發現，刻(ke)蝕時(shi)乙醇比水需(xu)更(geng)(geng)低的激(ji)光能(neng)量便(bian)能(neng)達到形成(cheng)等(deng)離子(zi)體(ti)的電(dian)子(zi)密度，同時(shi)激(ji)光誘導等(deng)離子(zi)體(ti)形成(cheng)后會在液體(ti)中產生氣(qi)泡，酒(jiu)精中的氣(qi)泡比水中的對石(shi)英(ying)表面的沖擊壓力更(geng)(geng)大。

圖 5 ; 不同(tong)磷(lin)酸質量(liang)分(fen)數吸(xi)收劑制備的(de)微通道

激(ji)光刻(ke)蝕(shi)(shi)作為玻璃材料微納加工(gong)的一項重(zhong)要應用技術，如(ru)何(he)在刻(ke)蝕(shi)(shi)時兼顧(gu)去(qu)蝕(shi)(shi)率、刻(ke)蝕(shi)(shi)深度與加工(gong)質量、無裂損(sun)率是該項技術的關(guan)(guan)鍵(jian)，對于激(ji)光誘導等離子體(ti)(ti)刻(ke)蝕(shi)(shi)和激(ji)光誘導背部濕法(fa)刻(ke)蝕(shi)(shi)，更好的靶材料、吸收劑的研(yan)究，對于刻(ke)蝕(shi)(shi)加工(gong)參量的優(you)化以(yi)及加工(gong)過程的仿真的相關(guan)(guan)研(yan)究已經大量展開(kai)，而使用超快(kuai)激(ji)光、激(ji)光掩模技術、復合激(ji)光對玻璃材料進行直寫(xie)刻(ke)蝕(shi)(shi)以(yi)無損(sun)制備微納結(jie)構是當前玻璃材料刻(ke)蝕(shi)(shi)的研(yan)究熱點。

2.   激光打孔

激光(guang)打孔是在玻璃透明(ming)材(cai)料(liao)上加(jia)工微米級、高深徑比(bi)微孔的(de)一(yi)種重要方法。目前，遠紅外CO2激(ji)光器、超快激(ji)光器等多種(zhong)激(ji)光器在微(wei)孔加(jia)工(gong)中都(dou)有(you)應用。

2.1   遠紅(hong)外CO2激光打孔

遠紅(hong)外CO2激(ji)光由于其脈沖(chong)寬(kuan)度較長，在加工玻璃時易產(chan)生熱應(ying)力導致冷卻過程中產(chan)生微裂紋(wen)。BRUSBERG等(deng)人利(li)用(yong)CO2激(ji)光器對500μm厚的Schott D263 Teco薄玻璃進行打(da)孔，幾乎所有直(zhi)徑(jing)小于100μm的圓(yuan)柱形孔都可以在0.25s內加工完成(cheng)，但玻璃基板上51%的制孔都存在(zai)微(wei)裂紋。進一步研究發現(xian)，通(tong)過在(zai)CO2激(ji)光加(jia)工前后對玻璃基板進行熱處理(加工(gong)前(qian)將玻璃基板(ban)預(yu)熱至(zhi)100℃~400℃，制孔(kong)后將基板加熱到(dao)300℃~557℃, 即Schott D263 Teco玻璃退火點)可以有(you)效避(bi)免此(ci)類(lei)熱應力造成的裂(lie)紋(wen)的產生(98.4%孔無裂紋(wen))。UNO等人開發了一(yi)種縱向(xiang)激(ji)發的(de)CO2激(ji)光(guang)器(qi)，該激(ji)光(guang)器(qi)可產生(sheng)4種類型(xing)的短激光(guang)脈沖，研究表明，通過調(diao)節短脈沖的能量密度和照(zhao)射次數可以(yi)有(you)效(xiao)控制(zhi)SiO2玻(bo)璃板上的制(zhi)孔深度并減少微裂紋(wen)的產生，且(qie)峰脈沖能量為0.82mJ，脈沖尾部能量為19.88mJ的激光脈(mo)沖加工效果。因此(ci)，盡管(guan)CO2激光玻璃打(da)孔的(de)(de)可靠性偏低，但由于其打(da)孔速(su)度很快，設備成本低，仍在工業界(jie)有著廣泛的(de)(de)應(ying)用。

2.2   超快激光打(da)孔

超快激光由于作用(yong)時(shi)(shi)間非常短，加(jia)工時(shi)(shi)的(de)(de)熱滲透很(hen)小，在玻璃樣(yang)品上不(bu)會留下很(hen)大的(de)(de)熱影(ying)響區域，能夠有效地減少(shao)加(jia)工后(hou)微裂紋的(de)(de)產生。ARGUMENT使用波(bo)長(chang)為248nm~800nm、脈寬為130fs~300fs的飛秒(miao)激光器在石英玻璃上(shang)加(jia)工(gong)出寬度在25μm~40μm，深度可達100μm的微(wei)孔，后(hou)續研(yan)究發(fa)現(xian)通過在(zai)加工(gong)前預熱玻璃(li)基(ji)板，在(zai)玻璃(li)基(ji)板上預先制備金(jin)屬鎢薄膜，加工(gong)后(hou)通過過氧化氫腐(fu)蝕去(qu)除(chu)的辦法可以有效地減少裂紋和碎片的產(chan)生。CHUANG等人利用波長為(wei)1065nm的皮秒激光器在超薄玻璃上加工出(chu)一連(lian)串直徑(jing)為3μm、間隔為2μm~3μm的通孔(kong)，在(zai)掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)下觀察玻璃微孔橫截(jie)面發現沒有可見的(de)熔(rong)化區，這表明皮秒激(ji)光加工微孔時(shi)的(de)熱影(ying)響(xiang)區基本可以忽略不計。ITO等人對(dui)化學強化玻璃進行飛秒激光打(da)孔試驗, 并(bing)通過數(shu)值(zhi)分(fen)析加工時的(de)(de)應(ying)力波的(de)(de)傳(chuan)播及溫度(du)場的(de)(de)分(fen)布，發(fa)現(xian)制孔側壁(bi)和底部的(de)(de)殘余應(ying)力主要是(shi)由(you)應(ying)力波引(yin)起的(de)(de)，而孔入口(kou)周圍(wei)的(de)(de)損傷(shang)則與熱應(ying)力的(de)(de)弛豫有關(guan)，如(ru)圖 6所(suo)示。WEI等人(ren)建立了基于飛秒激光抽運-探測原理(li)的時間(jian)分辨陰影成像平臺(tai)，直接獲取了(le)飛(fei)秒激光燒(shao)蝕石英(ying)微(wei)孔的超快過程(cheng)圖像，如圖 7所示。通過對(dui)不同能量(liang)密度、時(shi)間延遲、脈沖條件下(xia)拍攝圖像(xiang)的分析，發現在飛秒激光燒蝕制備石(shi)英(ying)微孔的過程中(zhong)，當能量(liang)密度低(di)于石(shi)英(ying)玻璃破(po)壞閾值(zhi)時(shi)，石(shi)英(ying)玻璃表面(mian)觀測到沖

圖 6  ;光(guang)學(xue)顯(xian)微(wei)鏡下飛秒激光(guang)制孔(kong)的截面(mian)圖

a—130fs激光(guang)加工(gong)微(wei)孔(kong)應力分布b—孔(kong)出口處(chu)損(sun)傷(shang)

圖 7  時(shi)間(jian)分辨陰影成(cheng)像光路圖及(ji)時(shi)間(jian)延時(shi)校(xiao)準方法

a—時(shi)間分辨(bian)陰影成像光(guang)路圖b—石英介(jie)質中(zhong)零延時(shi)附(fu)近的飛秒激光(guang)誘導的等(deng)離子(zi)通道(dao)

擊(ji)(ji)波隨時間(jian)延遲增加逐漸(jian)膨脹，石英玻璃內部觀測到隨時間(jian)延遲增大逐漸(jian)衰退的(de)(de)(de)等(deng)離子通(tong)道；當能量密度大于破壞(huai)閾值時，可觀察(cha)到隨沉積激光脈(mo)沖數量而伸長的(de)(de)(de)縱向(xiang)微孔(kong)(kong)，且在微孔(kong)(kong)底(di)部可觀察(cha)到沖擊(ji)(ji)波傳輸的(de)(de)(de)輪廓(kuo)。

2.3   激(ji)光打孔改進工藝(yi)研究

針對(dui)激(ji)光打孔過程(cheng)中(zhong)玻璃崩(beng)邊及裂紋現象(xiang)嚴(yan)重，高深徑比微孔加工(gong)難(nan)度大的瓶頸問題，許多學者(zhe)提(ti)出(chu)了(le)改進的打孔方(fang)法。為了(le)減少(shao)微孔加工(gong)時裂紋的產(chan)生(sheng)，KONO等人(ren)將(jiang)二氧化(hua)鈰粉末和水的(de)(de)混合物(wu)涂覆到玻(bo)璃材料的(de)(de)表(biao)面后，晾干制成30μm的吸(xi)收層(ceng)，之后(hou)再用波長為355nm的納(na)秒激光器進行微孔加工(gong)，成功在硼(peng)硅玻璃(li)和石(shi)英(ying)玻璃(li)上(shang)分別加工(gong)出深徑比12以(yi)上的(de)微孔，通過(guo)對(dui)照試驗還發現該方(fang)法可以(yi)大大減(jian)少(shao)裂(lie)紋的(de)產生，并(bing)在(zai)不影(ying)響加(jia)工質(zhi)量的(de)前(qian)提下提高(gao)加(jia)工速度(XY工作臺進給速率高達100μm/s)。針(zhen)對飛秒激光(guang)打孔(kong)制孔(kong)速度低、制孔(kong)時易產生(sheng)損傷的(de)問題(ti)，ITO等人[19]將(jiang)波長(chang)為780nm的飛秒激光(guang)器(qi)與波長為1070nm的(de)光(guang)纖激光(guang)器相(xiang)結合，如圖 8a所(suo)示(shi)，加工時首先使用(yong)飛秒激光在(zai)玻璃基板上(shang)加工出高寬深比的細(xi)線(xian)，之后將(jiang)光纖(xian)激光輻照到細(xi)線(xian)上(shang)逐步獲得所(suo)需的微(wei)孔(其中在飛秒激光(guang)輻照后的光(guang)纖激光(guang)輻照時(shi)間定義為時(shi)間延遲τ，如(ru)圖 8b所示), 研(yan)究發現, 飛秒激光(guang)產生的(de)細線(xian)會選擇(ze)性地(di)吸(xi)收光(guang)纖激光(guang)脈沖利用熱效應去(qu)除(chu)材(cai)料，可以有(you)效地(di)避(bi)免直接飛秒激光(guang)加工過程產生的(de)強應力波對材(cai)料的(de)損傷，制孔的(de)直徑和深(shen)度與τ有(you)關(guan)，如圖 9所示。試驗結果表明，該方法在40μs內加工(gong)出了直徑為10μm、深度達133μm的微孔，制(zhi)孔速(su)度(du)只采用飛秒激光加工的5000倍以(yi)上, 且能有效地抑制裂(lie)紋的產生。為了解決傳(chuan)統打孔(kong)由上至下的加工(gong)方(fang)式制孔(kong)時出現(xian)的坡度效應(制(zhi)孔(kong)開口(kou)(kou)(kou)表現出入口(kou)(kou)(kou)大(da)出口(kou)(kou)(kou)小的特征)，WANG等(deng)人[20]提出在加工(gong)透明材(cai)(cai)料時，嘗試采用由下至(zhi)上的(de)打孔(kong)方式代替常規的(de)由上至(zhi)下方式，將激光透過材(cai)(cai)料聚焦于材(cai)(cai)料的(de)下表面(mian)，由底部開始一(yi)層(ceng)層(ceng)地將材(cai)(cai)料向上去(qu)除(chu), 試(shi)驗中分別采用(yong)波(bo)長為532nm的(de)納秒(miao)激光、波長為1064nm的(de)皮秒激(ji)光(guang)及波長(chang)為515nm的飛(fei)秒激光在(zai)康寧大猩猩玻璃上加(jia)工孔徑為100μm~120μm、深度為200μm~900μm的微孔, 試(shi)驗結(jie)果表(biao)明(ming)，在采用由下至上(shang)的加(jia)工方式(shi)時，脈寬區間不存在死亡谷(自納秒開始，脈寬愈(yu)短，材料移除率愈(yu)低，在2ns~50ps之(zhi)間移除率非常(chang)低)，脈寬為2ns~50ps的(de)激光切割效率高于超快(kuai)激光，能夠實現零錐(zhui)度鉆孔且玻璃(li)的(de)崩邊尺寸小于50μm。

圖 8  飛(fei)秒激光(guang)與(yu)光(guang)纖激光(guang)復合微孔(kong)加工系統示意(yi)圖(tu)

a—試驗平臺示意圖(tu)b—飛秒激光(guang)脈沖(chong)(chong)和光(guang)纖激光(guang)脈沖(chong)(chong)的輻照時間

圖 9  制(zhi)(zhi)孔直(zhi)徑(jing)和制(zhi)(zhi)孔深度與(yu)時(shi)間(jian)延遲τ的(de)關系及不同τ下飛秒激(ji)光(guang)與光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)結合制孔光(guang)學(xue)顯微圖像

a—制孔深度與(yu)τ的(de)關(guan)系圖像b—制孔直徑與τ的關系(xi)圖像(xiang)c—τ=10μs d—τ=20μs e—τ=30μs f—τ=40μs

綜上所述，如何在減少、消除制(zhi)(zhi)孔(kong)(kong)(kong)損傷(shang)的(de)(de)(de)前提條件下，以(yi)(yi)較快(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)加(jia)(jia)工速度(du)制(zhi)(zhi)備出尺寸更小、精度(du)更高、具有(you)更大深(shen)徑比的(de)(de)(de)微孔(kong)(kong)(kong)是激(ji)(ji)光打孔(kong)(kong)(kong)技(ji)術(shu)難(nan)點所在。隨著(zhu)超快(kuai)(kuai)激(ji)(ji)光器的(de)(de)(de)發展(zhan)以(yi)(yi)及(ji)新(xin)器件、新(xin)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)應用，對超快(kuai)(kuai)激(ji)(ji)光制(zhi)(zhi)孔(kong)(kong)(kong)過程的(de)(de)(de)觀(guan)測(ce)和分(fen)析、超快(kuai)(kuai)激(ji)(ji)光與材(cai)料作用機理(li)的(de)(de)(de)研究也有(you)所展(zhan)開。為了滿(man)足微孔(kong)(kong)(kong)加(jia)(jia)工在尺寸、圓度(du)、深(shen)徑比、微裂紋及(ji)重(zhong)鑄層等方面(mian)越來越高的(de)(de)(de)要(yao)求，學者們也在不(bu)斷尋找(zhao)著(zhu)復(fu)合激(ji)(ji)光加(jia)(jia)工、激(ji)(ji)光加(jia)(jia)工與熱(re)處(chu)理(li)相結合等新(xin)的(de)(de)(de)加(jia)(jia)工工藝。

5.   結束語

從激(ji)(ji)光(guang)(guang)刻蝕、激(ji)(ji)光(guang)(guang)打孔2個激(ji)(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)(gong)玻(bo)璃(li)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的主要(yao)應(ying)用(yong)領域簡述了加(jia)工(gong)(gong)原理(li)和研究進(jin)展。玻(bo)璃(li)材(cai)(cai)(cai)料(liao)作為(wei)一(yi)種性能獨特(te)的非金屬材(cai)(cai)(cai)料(liao)其加(jia)工(gong)(gong)產品在(zai)(zai)傳(chuan)感(gan)器、光(guang)(guang)子器件、生物芯片(pian)等高新技(ji)(ji)術(shu)(shu)領域都有(you)重要(yao)應(ying)用(yong)，而(er)激(ji)(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)(gong)技(ji)(ji)術(shu)(shu)特(te)別是超(chao)快激(ji)(ji)光(guang)(guang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)為(wei)玻(bo)璃(li)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的刻蝕、制孔、焊接(jie)乃至(zhi)傳(chuan)統(tong)加(jia)工(gong)(gong)方(fang)法難(nan)以(yi)(yi)實(shi)現的表面和內部(bu)微(wei)納加(jia)工(gong)(gong)提供一(yi)種高質量、高效率且清潔(jie)無污染的加(jia)工(gong)(gong)方(fang)法。隨著激(ji)(ji)光(guang)(guang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的發展，更快速、更高能量密度激(ji)(ji)光(guang)(guang)器的投入使用(yong)已經在(zai)(zai)玻(bo)璃(li)透明材(cai)(cai)(cai)料(liao)加(jia)工(gong)(gong)領域取得了許多進(jin)步與(yu)成就。未(wei)來在(zai)(zai)以(yi)(yi)下幾方(fang)面可進(jin)行深入研究以(yi)(yi)推動(dong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)(gong)玻(bo)璃(li)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的廣泛應(ying)用(yong)。

(1) 對于超快激(ji)光(guang)、復合(he)激(ji)光(guang)束(shu)加工以及各種激(ji)光(guang)輔助加工方法中(zhong)激(ji)光(guang)與(yu)材(cai)料的相互作用(yong)過程、機理的研究是(shi)保證制(zhi)造(zao)質(zhi)量的關鍵基礎。

(2) 模擬實(shi)際加(jia)(jia)工工況的激光加(jia)(jia)工仿(fang)真模型開發，實(shi)現激光加(jia)(jia)工參量優選和工藝(yi)流程的優化。

(3) 集(ji)成實(shi)時監測(ce)與自動(dong)控(kong)制技術(shu)，實(shi)現激光加工參量的(de)實(shi)時調整(zheng)，以保證加工過程的(de)穩(wen)定性。

(4) 更加小型化、低(di)成本的(de)(de)激光系統開(kai)發(fa)以及新的(de)(de)光化學方案研(yan)究將會進(jin)一步擴展可加工的(de)(de)玻璃(li)材料的(de)(de)范圍，提(ti)高(gao)加工精(jing)度并降(jiang)低(di)時間和經濟成本。

注明 文(wen)章出處(chu)：激(ji)光技術網(wang) //www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.04.003