玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工和精細(xì)加工的材料。然而，它們給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)也為強(qiáng)大的超短脈沖激光器提供了更多機(jī)會(huì)。
　　材料優(yōu)質(zhì)的屬性對(duì)很多產(chǎn)品來說是不可或缺的：玻璃用來制作智能手機(jī)的顯示屏，顯示屏有著鋼化的外殼 ；陶瓷堅(jiān)硬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可用來制作電子零部件和電路基板以及電氣絕緣體；藍(lán)寶石極其堅(jiān)硬，耐劃傷，適合用于半導(dǎo)體和LED技術(shù)。但玻璃、 陶瓷和藍(lán)寶石的共同點(diǎn)就是很難加工。由于它們易碎而且都是非常堅(jiān)硬的材料，因而挑戰(zhàn)著銑、 鉆和磨等傳統(tǒng)制造工藝的極限。加工這些材料時(shí)，刀具磨損快，并且需要多個(gè)加工環(huán)節(jié)才能獲得足夠好的加工質(zhì)量。
　　激光光束在加工堅(jiān)硬、易碎的材料方面具有良好的效果。它們不會(huì)磨損且能聚焦到最小直徑。掃描振鏡能靈活定位光束，幾乎可以滿足各種形狀輪廓的加工需要。超短脈沖激光器（如圖1所示）特別適合加工易碎的材料。對(duì)于小于10ps的激光脈沖，當(dāng)熱傳導(dǎo)到周邊的材料上之前，被加工區(qū)域的材料已經(jīng)汽化。只要激光參數(shù)精確調(diào)整并與應(yīng)用相匹配，那么就不需返工。

圖1  超短脈沖皮秒激光器TruMicro 5000

　　對(duì)可見光以及近紅外光譜范圍內(nèi)的光來說，很多像玻璃這樣的寬帶隙電介質(zhì)是透光的。然而，高強(qiáng)度的皮秒脈沖能通過多光子電離產(chǎn)生自由電子。大量連續(xù)的電離進(jìn)一步釋放電荷載體，這些電荷載體能夠破壞材料中的化學(xué)鍵，最終達(dá)到燒蝕材料的目的。
　　當(dāng)加工易碎材料時(shí)，避免產(chǎn)生小裂縫是經(jīng)常遇到的挑戰(zhàn)，這些小裂縫會(huì)削弱零部件的強(qiáng)度。產(chǎn)生裂縫的一個(gè)原因是過度的熱量進(jìn)入了零部件。熱量導(dǎo)致材料膨脹，加快了裂縫的生成。適當(dāng)?shù)募庸げ呗钥梢苑乐剐×鸭y的形成，這其中包括精準(zhǔn)定義加工參數(shù)，如脈沖能量、 脈沖重疊度、 重復(fù)頻率、 焦點(diǎn)直徑和激光加工次數(shù)。最佳工作點(diǎn)取決于材料、 加工形狀、加工時(shí)間和質(zhì)量的要求，并通過試驗(yàn)加以確認(rèn)。位于德國南部Ditizingen的Trumpf公司和德國西部 Aachen的Fraunhofer激光技術(shù)研究所開展聯(lián)合研究，奠定了優(yōu)化激光加工脆性材料效果的理論基礎(chǔ)。
　　不同標(biāo)準(zhǔn)可用來評(píng)估質(zhì)量：零部件的彎曲強(qiáng)度（用來測量材料的斷裂強(qiáng)度，裂縫會(huì)使斷裂強(qiáng)度降低）、切割邊緣粗糙度以及邊緣視覺效果。切割邊緣的情況可以通過光學(xué)顯微鏡以及借助掃描電子顯微鏡來測量。
　　測量零部件彎曲強(qiáng)度的普通方法是四點(diǎn)折彎測試。用兩根圓柱對(duì)一定加工輪廓的試驗(yàn)樣品進(jìn)行支撐和定位。另外兩個(gè)圓柱以既定速度對(duì)樣件不斷加力，直到它被折斷。破壞時(shí)間點(diǎn)的壓力因此而得到測量，斷裂強(qiáng)度可以通過零部件的形狀以兆帕為單位計(jì)算得出。
　　智能手機(jī)的興起突出了顯示屏的重要性。智能觸摸顯示屏已經(jīng)超越了手機(jī)鍵盤成為最主要的用戶界面。典型的智能手機(jī)包括4塊玻璃平板：兩塊在顯示屏上，容納薄膜晶體管和液晶材料；一塊提供觸摸功能；一塊化學(xué)鋼化玻璃蓋板，保護(hù)底層免于劃傷、沖擊損傷或被弄臟。輕便、纖薄的智能手機(jī)意味著需要更薄的玻璃面板。典型的玻璃顯示面板為0.3mm，化學(xué)鋼化玻璃蓋板為0.7mm，這使得傳統(tǒng)的切割工藝達(dá)到了極限。切削輪子已經(jīng)不適合加工這種玻璃，因?yàn)樗鼈兌冀?jīng)過特殊的化學(xué)強(qiáng)化處理，而銑削加工則需要大量研磨和拋光的返工。
　　紅外和綠光波長的超短脈沖激光器正好可用于這種材料的加工。皮秒脈沖能減少裂縫的產(chǎn)生，切割質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的銑削加工。激光光束多次掃過被加工材料來實(shí)現(xiàn)切割。速度、邊緣質(zhì)量和邊緣的角度可以由加工策略來決定。相對(duì)于其他的激光工藝，燒蝕工藝更穩(wěn)妥。例如，輕微變形的玻璃并不影響加工結(jié)果。在測試中，使用綠光皮秒激光器，“Corning Eagle XG”的彎曲強(qiáng)度達(dá)280MPa。使用紅外皮秒激光器的測試結(jié)果表明，速度增加了3倍，邊緣的彎曲強(qiáng)度略有降低。

圖2  使用皮秒激光器加工玻璃

　　更強(qiáng)大的皮秒激光器為提高加工玻璃的效率提供了更多的機(jī)會(huì)（如圖2所示）。由于等離子體屏蔽的原因，鋼材的燒蝕效率在5J/cm2的脈沖能量密度時(shí)開始降低，而玻璃允許更高的脈沖能量密度，直到加工效率達(dá)到最高。因此，當(dāng)加工玻璃時(shí)，更高的脈沖能量可以轉(zhuǎn)化為更高的燒蝕效率。
　　藍(lán)寶石是地球上僅次于鉆石的第二堅(jiān)硬材料，很難使用機(jī)械的方法來加工。使用激光器來切割藍(lán)寶石是當(dāng)今LED制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)加工方法，藍(lán)寶石在這里用作基板襯底。由于其抗劃傷性和透光性，藍(lán)寶石被用來生產(chǎn)手表和光學(xué)儀器的保護(hù)鏡面。
　　當(dāng)加工細(xì)小輪廓時(shí)，超短脈沖激光器可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工。例如當(dāng)切割圓形部件和鉆微孔時(shí)，柔性的輪廓加工可以通過高速掃描器來實(shí)現(xiàn)。超短脈沖消除了加工時(shí)的熱影響，從而實(shí)現(xiàn)了極好的切割邊緣質(zhì)量。
　　與超短脈沖相結(jié)合的智能加工方式可以避免形成缺口及開裂。經(jīng)驗(yàn)表明，100μJ左右的脈沖能量是最佳的。例如，將脈沖能量為250μJ的激光光束分成兩個(gè)125μJ的獨(dú)立激光光束，同時(shí)加工兩個(gè)零部件就可以獲得更高的產(chǎn)量。卓越的加工質(zhì)量取決于加工方法、 除塵和工件夾具之間的適宜配合。
　　工程陶瓷經(jīng)常會(huì)用于暴露在高溫或要求耐磨損的零部件上。在許多應(yīng)用中，對(duì)材料的電絕緣性要求很高。例如，工程陶瓷用作汽車行業(yè)中傳感器芯片的PCB材料、用作油泵的耐磨損貯存材料，或用作食品行業(yè)中的噴嘴材料。
　　激光非常適合在薄陶瓷上鉆孔、切割或者進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。例如，使用紅外超短脈沖激光器能以高達(dá)10mm/s的速度切割0.3mm的氧化鋯板。超短脈沖可產(chǎn)生平滑、無裂紋的切割邊緣。
　　鑒于超短脈沖激光銳利的聚焦特性，它們非常適用于打孔：能在0.5mm的氧化鋁和氮化鋁陶瓷上鉆出直徑60μm的孔。打孔速度可達(dá)20個(gè)孔/s。在劃片-裂片的工藝中，激光切割到材料厚度的1/3，然后用機(jī)械方式裂片，速度可達(dá)50mm/s。
　　在達(dá)到加工質(zhì)量要求的前提下，產(chǎn)能是工業(yè)制造中的一個(gè)決定性的變量。為了將超短脈沖激光的卓越特性應(yīng)用到高生產(chǎn)率要求的工業(yè)制造中，可按比例增加皮秒激光器TruMicro 5000的輸出功率。新型TruMicro 5070和TruMicro 5270分別是功率100W紅光和60W綠光皮秒激光器，脈寬在10ps之內(nèi)?；诘降募す夤β史糯蠹夹g(shù)，可以減少激光在介質(zhì)中的熱透鏡效應(yīng)，獲得好的光束質(zhì)量和更高的激光功率。
　　由于所有超短脈沖激光器都有雙級(jí)功率調(diào)節(jié)特點(diǎn)，加工效果在各種情況下都可重復(fù)實(shí)現(xiàn)，放大器外的外部調(diào)節(jié)模塊會(huì)調(diào)整脈沖能量和頻率，這確保了光束特性不會(huì)受激光參數(shù)變化的影響。