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高質量加工玻璃和藍寶石

對光學透明或半透明的脆性材料進行激光加工在各種制造領域有著廣泛的應用。例如，在智能手機、電子書、平板電腦等消費類電子設備中，需要將保護玻璃精確地切割成各種形狀。     

與使用長脈沖激光器相比，使用超快激光器加工透明脆性材料具有不少優勢。當超快激光器聚焦于玻璃內部，只有聚焦體積鄰近的局部區域會通過非線性光來吸收激光能量。因此，加工范圍受到極大的約束，目標的其它部分不會受到影響。雖然燒蝕飛秒加工可以滿足工業用戶的質量要求，但其加工速度需要進行改進來實現廣泛而又經濟劃算的工業應用。在本文中，我們介紹了新近開發的非燒灼飛秒加工工藝“清晰造型”（ClearShape），這種工藝使用的是Spirit工業飛秒激光器。ClearShape工藝可以高質高速地在化學強化玻璃、非強化玻璃和藍寶石等透明脆性材料中加工曲線和內部封閉形狀。

高速切割的同時呈現前所未有的高品質

脈沖持續時間在飛秒范圍內的超快激光器已顯示了其在很多材料加工應用中的潛能。超快激光器的獨特優勢包括燒蝕效率高，在金屬和電介質加工材料上燒蝕結構的精度高，這些都已經在多項研究中得到證明。

盡管現有的加工質量已經滿足工業需求，但要滿足經濟劃算的工業需求，其加工速度仍需要進一步提升。例如，研究表明通過使用商用工業飛秒激光系統燒蝕切割0.5mm厚的化學強化玻璃，速度最高為0.2mm/s，這在工業加工中并不可行。

近來，Spectra-Physics研發了一種稱作“ClearShape”的非燒蝕飛秒激光加工工藝，用以加工透明脆性材料，其切割速度大于1m/s，切割質量上乘，這種工藝尚在申請專利之中。

飛秒激光器已經有數十年的歷史。但他們一直是復雜昂貴的機器，需要經常依據生產車間的要求進行調整校準。

直到最近，Spirit工業飛秒激光器被證實是一種值得信賴的耐用激光器，可以用于微加工和醫學應用（圖1）。

圖1：Spirit 1040-IMC 激光器（a）具備高重復率的工業飛秒激光器，平均功率高達16瓦，是進行 ClearShape加工（b）的理想之選。

這種激光器被廣泛應用于要求嚴格的醫療和制造領域。為了展示ClearShape飛秒激光器的加工能力，Spirit激光器應用于制造化學強化大猩猩玻璃（康寧）。測試所使用的玻璃厚度為0.55mm、壓縮層深度為20μm。使用該激光器進行ClearShape加工的切割速度最高達4m/s。豁口小于1μm，平均割邊粗度小于1μm（圖2）。

圖2：使用Spirit 1040-IMC激光器，運用ClearShape工藝對康寧化學強化大猩猩玻璃（厚度為0.55mm、壓縮層深度為20μm）進行直線切割后，未進行任何后期處理結果示例。切割速度最高達4m/s。割邊俯視圖展示了極佳的切割質量，在表面未形成任何豁口（圖a），而割邊側視圖展示了清晰光滑的表面，粗度小于0.1μm。