1960年5月16日，美國年輕的物理學家梅曼成功研制出人類歷史上的第一臺激光器—紅寶石激光器，它能產(chǎn)生頻率單一、方向高度集中的光—激光。激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。自此，激光作為一種先進的加工技術(shù)迅速發(fā)展起來，并在各個領(lǐng)域中得到廣泛應用。
圖1-機械切割（金橙子科技公眾號）
圖2-玻璃激光切割（建筑玻璃與工業(yè)玻璃公眾號）
尤其在玻璃切割行業(yè)中，傳統(tǒng)的玻璃機械切割技術(shù)已逐漸不能滿足生產(chǎn)所需的對高效率、高質(zhì)量和異形加工的要求，而具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的激光開始受到越來越多廠家的青睞。
接下來，文章將從玻璃材料的特性、激光基本參數(shù)、激光光源的種類以及玻璃激光切割的原理等內(nèi)容進行具體展開，歡迎閱讀。
玻璃材料的特性
物理特性：玻璃的物理特性非常特別，是其能夠區(qū)別于其他材料的重要特點。首先，玻璃是一種非晶態(tài)固體，這意味著它的原子結(jié)構(gòu)并不規(guī)則，不具備傳統(tǒng)晶體材料所具有的長程有序結(jié)構(gòu)。其次，由于沒有晶體結(jié)構(gòu)的限制，玻璃具備非常高的抗拉強度和抗壓強度，也具有高度的抗腐蝕性能和耐高溫性能。但由于玻璃結(jié)構(gòu)是一種非晶態(tài)固體，導致玻璃并非是一個理想的能量狀態(tài)，它易于發(fā)生變形、斷裂。
圖3-晶態(tài)和非晶態(tài)固態(tài)結(jié)構(gòu)（百度）
圖4-玻璃作為AR光波導襯底應用
光學特性：玻璃材料的光學特性主要表現(xiàn)在具有高透過率、低反射率、低吸收率、低色散度及非常高的光學折射率及均勻性，這些優(yōu)良特性對于制造精密光學器件非常重要，是玻璃成為優(yōu)良的半導體材料的主要原因，例如在AR行業(yè)可作為光波導的基底材料。
激光的基本參數(shù)
這里為大家，簡單介紹下激光的一些光學和性能的評價參數(shù)。
基本參數(shù) | 含義 |
脈沖寬度 | 簡稱“脈寬”，指單個脈沖的持續(xù)時間，單位有：微秒（us）、納秒（ns）、皮秒（ps）、飛秒（fs）等，一般指峰值高度一半時的透射峰寬度 |
重復頻率 | 指1秒內(nèi)重復發(fā)出的脈沖個數(shù)，單位是赫茲（Hz） |
單脈沖能量 | 指單個脈沖攜帶的激光能量，單位是焦耳（J） |
峰值功率 | 指單個脈沖所能達到的最高功率，單位是瓦特（W） |
平均功率 | 指單位時間內(nèi)輸出的激光能量，是脈沖能量和重復頻率的乘積，單位是瓦特（W） |
光束質(zhì)量 （M2） | 又稱光束的衍射倍率因子或質(zhì)量因子，它是實際光束的束腰寬度和遠場發(fā)散角的乘積與理想光束(基模高斯光束)的束腰寬度和遠場發(fā)散角的乘積之比。M2值的大小反映了激光束的空間尺寸、聚焦能力和光學質(zhì)量。當M2值越小時，表示激光束的質(zhì)量越好，聚焦能力越強，光束越集中，M2的理想值為1 |
激光光源（激光器）的種類
激光器作為激光設(shè)備的核心部件，是加工光束產(chǎn)生的源頭，主要由工作物質(zhì)、激勵能源和光學諧振腔三個部分組成。
其中工作物質(zhì)是激光器的核心，只有能實現(xiàn)能級躍遷的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。工作物質(zhì)決定了激光器能夠輻射的激光波長，它需要具備實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能力，才能讓受激輻射得以發(fā)生。
激勵能源也稱為泵浦源，其作用是給工作物質(zhì)以能量，即將原子從低能級激發(fā)到高能級的外界能量。能源類型有光能源、熱能源、電能源、化學能源等。
圖5-光學諧振腔作用原理（百度百科）
光學諧振腔通常由兩個相互平行的反射鏡組成，其中一個反射率接近100%，另一個則為部分反射，使得光子在腔內(nèi)往復振蕩，不斷引起受激輻射，最終形成激光輸出。主要有三個作用，使工作物質(zhì)的受激輻射連續(xù)進行；不斷給光子加速；限制激光輸出的方向。
根據(jù)工作物質(zhì)的物態(tài)，激光器的種類大體可分為：
激光器種類 | 工作物質(zhì) |
固體激光器 | 金屬離子摻雜晶體（Nd：YAG、Nd：YVO4） |
氣體激光器 | 氦氖、二氧化碳、氮氣、KrF、XeF等 |
液體激光器 | 有機熒光染料溶液、含稀土金屬離子的無機化合物溶液 |
半導體激光器 | 砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）等 |
自由電子激光器 | 在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束 |
就作業(yè)效果而言，使用相同波長相同功率的激光器，其脈寬越窄，峰值功率越高，加工效果就會越精細。激光器的能量換算遵循以下公式：
公式：峰值功率(MW)= 脈沖能量(E)÷脈沖寬度(s)
例如，使用相同功率的355nm波長激光器對0.1mm厚度的不銹鋼薄片進行鉆孔。左圖是使用脈寬為3.3ns的激光器作業(yè)效果，右圖是使用200fs的激光器作業(yè)效果；對比可以看出，飛秒激光器的鉆孔作業(yè)效果明顯要好于納秒，使用飛秒激光器的孔邊界更清晰，熱影響更小，基本沒有熔渣。
圖6-納秒激光鉆孔&飛秒激光鉆孔（金屬加工微信公眾號）
玻璃激光切割技術(shù)的原理
大體上可以分為熔融切割法和裂紋控制法。
熔融切割法：利用玻璃的延展性和塑性，通過使用高能量的激光束照射到玻璃表面（一般為CO2激光束），利用高溫使玻璃融斷，同時氣流吹走熔融的玻璃碎屑，產(chǎn)生一道溝槽，并利用輔助的機械裝置沿著溝槽把玻璃掰斷，實現(xiàn)玻璃的切割分離。
圖7-熔融法切割原理（《The laser as a tool》）
裂紋控制法：在玻璃切割行業(yè)更為普遍，根據(jù)使用光束的不同，有不同的細分。比如，使用貝塞爾激光束切割+CO2裂片的工藝路線，其加工過程分兩步：① 制造微裂紋產(chǎn)生；② 引導微裂紋擴展。加工作業(yè)時，先使用具有超高功率密度的貝塞爾激光束，應用材料高溫氣化原理，使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生縱向納米通孔，再結(jié)合玻璃自身的硬脆特性，相鄰通孔間會自發(fā)延展出裂紋，形成表層橫向聯(lián)通裂紋；再使用非接觸式10.6um波長的CO2激光，應用玻璃對此波長光超高的表吸收特性，控制CO2激光束沿貝塞爾激光束產(chǎn)生的通孔軌跡掃描，使玻璃表層溫度急速升高，產(chǎn)生“熱漲”，以增加表層橫向聯(lián)通裂紋處的應力，從而引導表層橫向聯(lián)通裂紋縱向延展，直至玻璃斷裂分離。
圖8-表層橫向聯(lián)通裂紋圖
圖9-CO2玻璃裂片原理圖
通過熔融切割法和裂紋控制法切割出來的玻璃產(chǎn)品的主要區(qū)別之一在于截面粗糙度。熔融切割出來的玻璃產(chǎn)品，截面呈琉璃狀，整體表現(xiàn)為亮面，粗糙度值＜100nm；反觀，通過裂紋控制，使用貝塞爾激光束切割出的玻璃產(chǎn)品，因為截面改性更徹底，粗糙度值＞200nm，整體表現(xiàn)為磨砂面。
圖10-熔融法切割玻璃截面（羅悉激光公眾號）
圖11-裂紋控制法切割玻璃截面（貝塞爾）
玻璃激光切割技術(shù)的優(yōu)勢
相較于傳統(tǒng)的金剛石刀輪、砂輪，玻璃激光切割技術(shù)的優(yōu)勢總結(jié)如下：
項目 | 激光切割 | 傳統(tǒng)切割 |
加工速度 | 快，不受材料硬度影響 | 慢，受材料硬度影響 |
加工精度 | 高，聚焦后的光束非常細 | 中等，工具磨損會影響精度 |
加工方式 | 非接觸式加工，無機械應力 | 接觸式加工，會產(chǎn)生機械應力 |
邊緣質(zhì)量 | 邊緣平滑、無裂紋、且崩邊尺寸可控 | 粗糙、存在微裂紋，需要后續(xù)研磨 |
殘余應力 | 較小，切割邊緣強度高 | 較大，可能導致邊緣易碎裂 |
異形切割 | 支持，可精確切割復雜異形 | 有限，僅支持大R角的曲線 |
加工效率 | 高，自動化程度非常高 | 中等，多為半自動機臺 |
技術(shù)展望
隨著消費者市場對高精密玻璃產(chǎn)品需求的日益增長，尤其是在AR智能眼鏡等新興消費電子領(lǐng)域，激光切割技術(shù)憑借其無與倫比的精度和再現(xiàn)性，成為了滿足這些需求的理想解決方案。
另一方面，隨著AR、VR智能設(shè)備等的不斷發(fā)展與市場落地，廠家對所用光學玻璃的成型切割與一致性方面的要求越來越高，不僅要求切割邊緣光滑，切割品質(zhì)均衡，良品率高，還要求不能破壞光學玻璃表面的鍍膜。
在未來，相信激光切割技術(shù)會越來越成熟，讓更多的企業(yè)和消費者受益于激光切割技術(shù)的快速發(fā)展。
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