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皮秒激光切割玻璃的原理和工藝研究

發布時間：2018-06-07 來源：元祿光電

智能手機普遍采用觸摸顯示屏作為用戶操作界面，典型的觸摸顯示屏使用四塊玻璃來分別實現容納薄膜晶體管和液晶材料，觸摸功能和鋼化玻璃蓋板的功能；同時無線充電和5G通訊技術的發展，促使智能手機背板也采用玻璃來改善信號傳輸質量，直接拉動了顯示行業對新型玻璃的需求。

2018年智能手機的總出貨量預計15.5億部，玻璃蓋板的滲透率為25%，即有4億塊的需求量，觸摸顯示有16億塊的需求量；玻璃背板的滲透率為40%，即有6.2億塊的需求量。

傳統玻璃切割技術采用金剛石或合金在玻璃上劃出微槽，在微槽兩側施加外力使玻璃向厚度方向延展，形成縱向裂縫來實現切斷，能滿足傳統玻璃的加工要求。近十幾年來，信息顯示行業推動新型玻璃的進步，向輕薄化和優秀抗損性能的方向發展。特別是硬化玻璃的廣泛應用，傳統切割技術的優化空間開始趨窄，為達到高精度切割，通常需增加研磨和拋光的額外工作量，降低了生產效率，因此顯示行業對玻璃切割精度、效率和內損傷的綜合性能提出更高要求。

玻璃激光切割是一項易于控制的非接觸式的少污染技術，為客戶帶來極大便利；同時在高速切割下能保證邊緣整齊、垂直性佳和內損傷低的優勢，正成為玻璃切割行業的新型解決方案。尤其是高精度切割，皮秒級超快激光器因極窄的脈寬而展現出極大的優勢，利用低熱能擴散的特點，在熱傳導到周邊材料前完成材料打斷，在脆性材料切割中表現出良好的效果。

基本加工原理

激光切割效果與材料對波長的吸收深度有關系，根據吸光深度分為表面吸收和體吸收。在圖1所示的第四代康寧大猩猩玻璃的吸收光譜中，對1064nm波長的光透過率>92.1%，因此皮秒級超快激光切割鋁硅酸鹽玻璃，必須利用材料的體吸收。

圖1 第四代康寧大猩猩玻璃的吸收光譜

同時玻璃屬于寬帶隙電介質材料，超快激光具有誘導其自身進行多光子吸收的能力。如圖2所示傳統光吸收指單光子能量超過材料帶隙，材料吸收單光子，進而激發電子進行價帶-導帶躍遷。超快激光具有極高的峰值功率密度，即使單光子能量低于材料帶隙，利用多光子吸收也可實現電子價帶-導帶躍遷。皮秒級超快激光輻射光子，材料進行多光子吸收產生導帶電子，處在高能級的電子在材料運動中發射聲子，并把所吸收能量轉移至晶格，晶格經歷能量沉積造成材料熔化或機械破壞，實現高質量的微加工。

（a）單光子吸收（b）多光子吸收

圖2 材料中的電子激發過程

超快激光通過透鏡聚焦獲得um級光束，具有高峰值功率密度。如圖3所示，光束作用在玻璃材料上時，光束中心光強比邊緣低，帶來材料中心折射率比邊緣變化大，光束中心傳播速度比邊緣慢，光束出現非線性光學克爾效應來產生自聚焦，繼續提升功率密度。直到在某閾值材料產生低密度等離子體，降低材料中心折射率，實現光束散焦。在實際切割玻璃中，優化聚焦系統及焦距，可實現重復性聚焦/散焦過程，形成穩定穿孔。

圖3 光束克爾效應引起的光束自聚焦示意圖

傳統超快激光切割是利用振鏡來控制激光束，熔化、汽化或產生熱應力來切割材料，該方法切割厚玻璃增加Z軸升降實施分層切斷。

目前成絲切割是一種可行的工藝，激光行業均具有成熟解決方案，在顯示行業內已進行廣泛的應用。如圖4所示，當超快激光束通過玻璃材料傳播時，同時存在克爾自聚焦和等離子體散焦，光束在兩者動態平衡中能實現長距離傳播，在材料中形成微米級的絲孔，這種絲孔在玻璃中能延展幾毫米的深度。直線電機控制玻璃工件相對于激光束進行運動來生成等間距的眾多絲孔，通過優化絲孔間距產生沿直徑方向的微裂紋。對存在微裂紋的玻璃施加外力，增加微裂紋處的應力，使玻璃沿微裂紋斷裂，達到切斷的目的。

圖4 皮秒超快實現成絲切割原理

實驗材料和裝置

本實驗所采用的玻璃是第四代康寧大猩猩，鋁硅酸鹽玻璃，厚度為0.9mm，密度為2.42g/cm3，維氏硬度為596kgf/mm2，斷裂韌性達到0.67MPam0.5。如圖,5所示，本實驗所采用的30w紅外皮秒激光器，整個系統基于主振蕩功率放大結構，能提供高能量激光脈沖且激光脈沖寬度小于10皮秒，優化的Burst Mode功能，可實現脈沖串編輯功能，以實現更多工藝選擇。