薄脆性材料的加工挑战

  在非金属加工领域，薄脆性材料的激光加工备受关注。随着智能手机、LED照明、平板电脑、以及可穿戴设备等消费电子产品的不断发展迭代，玻璃、蓝宝石和陶瓷等材料，凭借着自身具备的独特优质属性而获得了广泛应用，比如坚硬的钢化玻璃用作于智能手机的显示屏；坚硬且化学性质稳定的陶瓷用于制作电子零部件衬底和绝缘材料；坚硬耐划的蓝宝石用于LED衬底、手机摄像头保护玻璃、智能手机显示屏、智能手表的盖板玻璃等。

  在这些应用中使用的玻璃、蓝宝石或陶瓷等材料，厚度通常较薄，硬度越来越高，非常易碎。而在加工要求上，上述应用通常需要在这些薄脆易碎的材料上实施非常精密的切割、钻孔甚至开槽等加工过程，这使得传统的铣、 钻、 磨等机械加工工艺面临着极大的挑战，因为材料极薄极脆，加工过程中因接触而施加到材料上的任何应力，都可能导致材料碎裂，最终报废。

然而，传统机械加工方式所面临的挑战，却为非接触性的激光加工带来了更多机会。

超快激光应对加工挑战

  玻璃、陶瓷、蓝宝石等薄脆性非金属材料的精密加工，通常使用超快激光。超快激光脉冲持续时间极短，在纳秒、皮秒甚至是飞秒级别，将适度的激光能量作用在材料表面，通过打断材料的化学键而实现材料去除目的，在这个过程中，激光能量还来不及向加工范围周围传递，加工过程便已结束，因此产生的热量几乎可以忽略不计，材料不会产生热损伤。

随着这些脆性材料在LED、智能手机、可穿戴设备等产品中的应用越来越多，致力于这类脆性材料加工的激光器、激光系统及相关科研机构也不断增多，他们的努力也促进了激光技术在脆性材料加工领域不断突破。

（一）汉诺威中心的薄片玻璃钻孔方案

  2016年12月初，德国汉诺威激光中心（LZH）和德国巴伐利亚激光中心（BLZ）联合举办了一场主题为“玻璃材料的激光加工”的研讨会，主要探讨激光玻璃加工领域的最新发展与趋势。

当前，激光玻璃加工领域的发展快速，一些创新的加工过程和系统，正在使薄片、平板和管状玻璃产品的加工不断进步。

研讨会上，汉诺威激光中心由Philipp von Witzendorff领导的一个研究团队介绍了一种新颖的薄片玻璃钻孔方案，其将单个脉冲与不同的脉冲持续时间相结合，成功避免了钻孔过程中在玻璃边缘出现碎片，加工出的表面非常光滑，能力成功化学强化薄片玻璃的钻孔，如用于手机屏中的强化玻璃。

汉诺威激光中心新开发的玻璃钻孔工艺，比水射流方式更具成本效益，并且还能加工厚度4mm的玻璃。汉诺威激光中心在玻璃加工方面的创新，为消费电子等产品提供了有价值的推动力。

（二）堪称改变行业规则的皮秒混合光纤激光器IceFyre？

在玻璃/蓝宝石加工方面，万机仪器（MKS Instruments）旗下的光谱物理业务部门（Spectra-Physics）在这方面实力不俗。早在2015年12月，光谱物理就针对化学强化玻璃、非强化玻璃和蓝宝石的快速高质量切割应用，推出了ClearShape飞秒激光器，其能够达到1m/s的切割速度，并且切割边缘无毛边碎屑，边缘粗糙度Ra <0.1μm。

  今年2月Spectra-Physics首次亮相的紧凑型高功率工业皮秒混合光纤激光器IceFyre，堪称是一款改变游戏规则的产品——集高功率、超短脉冲、前所未有的通用性、重复频率可调、可编程灵活调节脉宽、脉冲可按需触发等诸多功能及成本优势于一身。IceFyre在1064nm波长处提供> 50W的平均功率和高达> 200μJ的脉冲能量，脉冲重复频率可调节范围从单发脉冲到8MHz，是精密加工蓝宝石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。

IceFyre在性能、成本、尺寸和可靠性方面的表现，是否如其所愿能够改变工业微加工激光器市场的游戏规则？我们拭目以待。