當前，智能手機已經成為人們生活中的必需品。我們幾乎每分鐘都會觸摸智能手機的顯示屏。得益于機械或化學性能的穩定，讓這些手機屏幕非常耐用。顯示屏具備的足夠硬度使其可以承受住很大壓力，甚至多年使用下來都沒有磨損跡象。
但另一方面，材料的硬度通常總是伴隨著脆性。手機的玻璃屏幕在出現缺陷或受到沖擊時容易斷裂，這幾乎是每個智能手機用戶都可能會遇到的問題。
激光作為“納米鋸”是切割玻璃的既定工具。乍一看，使用激光加工玻璃似乎很奇怪。如果光子密度足夠高，在這種情況下再聚焦超短激光脈沖，透明材料內部往往會生成特定的缺陷。
過去的研究發現，選擇一個焦點形狀對于單通道的基材修改非常有益。細長的、無衍射的像貝塞爾高斯光束這樣的焦點分布，能夠產生高質量的玻璃邊緣。激光修改步驟即大量修改的生成，僅代表整個過程的一半。在第二步中，必須沿改性表面分離弱化材料，例如通過施加機械應力或熱應力。
在通快集團技術領域經理Daniel Flamm與其他人合寫的《保護邊緣：超快激光改性C形玻璃邊緣》(Protecting the edge: Ultrafast laser modified C-shaped glass edges)論文中，作者指出無論是采用先進的激光加工工藝或是傳統的劃線機和中斷工藝，切割后的玻璃將呈現出垂直邊緣。正是在這一點上，脆硬材料在微小的角半徑處顯示出主要弱點。如果此處發生撞擊，應力會以直角累積，材料響應會出現裂紋或缺口。
實驗的目標是大幅降低玻璃邊緣的直角，使基板不易受到沖擊或產生缺陷。尤其當與玻璃表面的切角達到45°時，特別需要倒角、斜面或C形。這時候，激光作為一種成形工具，其焦點分布假設是采用所需的玻璃邊緣輪廓。對此，論文作者開發了一種全息分束技術（holographic beam splitting technology），可以在一個加工作體積內任意排列大量光斑。
■具有直面和倒角邊緣的高質量激光切割玻璃基材的圖像
可以同時分布100多個焦點的邊緣軌跡幾乎沒有限制?？梢韵胂蟮氖?，倒角和斜面形狀就像屋頂邊緣、半圓或多臺階一樣。調整后的加工光學元件，能夠通過單通道特別有效和精確地修改玻璃基材。不需要光學傾斜，甚至不需要工件翻轉。這種激光加工非常具有吸引力，切割和邊緣成形可以一次成型。
論文中，研究團隊在分離步驟上是通過濕化學蝕刻實現的，濕化學蝕刻已被證明有利于顯示玻璃的邊緣質量和強度。在這個過程中，這類激光改性是彌合玻璃內部裂縫的有效辦法。蝕刻溶液可以高效滲透進入透明玻璃的內部，不到一小時導致基材分離。以這種方式生產的具有定制邊緣的玻璃滿足了廠商的需求，包括粗糙度、機械穩定性和吞吐量。
此外，幾位作者還在該論文中展示了利用全息3D分束器的先進能量沉積技術，可以基于激光制造倒角的玻璃邊緣。這一創新研究將為其他領域開拓新前景，例如焊接、數據存儲、波導寫入或過孔生成等領域。
■掃描電子顯微鏡觀察下的具有不同邊緣輪廓的玻璃基材
與作者對話
Daniel Flamm完成博士學位后加入了通快集團，主要運用他所學的塑造復雜光態的知識進行激光材料加工方面的研究。通快開發的光源可提供非常高的能量和功率水平。他熱衷于利用這些極端光狀態，以便將它們用于微米和納米級的精細加工。
Q：是什么激勵你開始這個項目？
A：在均勻介質中，光通常沿光軸直線傳播。焦點沿著加速軌跡傳播，因此光線可以被引導到拐角處時，我對這個很著迷。通過這種方式，實現了一種可以呈現成品形狀的輕型工具。在本案例中，我所在的團隊開發了一種新型全息分束工具，可實現全新的激光材料處理。
開發的工藝能夠在一次激光過程中創建具有定制形狀的玻璃邊緣。這緩解了傳統切割基材的最大弱點：典型垂直玻璃邊緣的微小角半徑。正是在這里，一旦發生碰撞就會容易產生裂紋。激光加工為制造商節省成本，讓玻璃切割和倒角處理特別有吸引力，而不再需要傳統的耗時工藝，如機械研磨和拋光。不僅顯示行業可能會發現這個過程非常有趣，所有的玻璃和光學產品制造商也會如此。
Q：在研發過程中，你覺得最具挑戰性或最令人驚訝的是什么？
A：一開始，我們在數字問題上苦苦掙扎，這意味著設計全息圖的計算工作量。然而，我們已經設法將計算時間從幾天縮減到幾分鐘。值得注意的是，我們通過液晶顯示器實現的數字全息圖，實際上允許我們在模擬中預測光的精確相位調制。令人驚訝的是，我發現快速激光參數會損壞材料，從而讓選擇性時刻成為分離步驟的明顯選項。
Q：你認為是什么導致了論文中展示的快速成功？
A：當然，這是一個偉大的團隊努力，不同學科之間的緊密聯系。其中我也看到通快的實力。激光和光學開發、材料等不同領域的頂尖專家通力合作，才能取得現在的成果。我要特別提到團隊的材料科學家Myriam，他指導了實驗過程，并對合適的激光參數和相應的材料響應給出正確的意見。
Q：你提到這項技術會給顯示玻璃行業帶來很大的好處，還有其他行業領域因此而受益嗎？
A：我們確信，激光光學技術可以在聚焦單元的工作空間內任意分割多個光點，這將引發幾個新的應用。當然，我們研究的主要重點是處理透明材料。談到這項技術的應用前景，我想像焊接、數據存儲或鉆孔等領域都會很有前途。
對于非透明材料，當曲面必須進行激光紋理處理時，這種技術優勢也顯現出來了。我們目前正在研究各種其他概念，由于知識產權的原因，目前無法提及。在材料加工領域之外，我們看到了粒子操縱和顯微鏡的潛力。
Q：目前是否有制造商使用了這種方法？
A：還沒有，但已經有幾個潛在客戶對我們的工作感興趣。每個人對于完美的玻璃邊緣形狀都有自己的想法。因此，我們看到了實驗過程的巨大優勢，幾乎可以提供任何形式的服務。
Q：行業采取這種方法需要什么條件？
A：在微加工業務中，通常我們的模式是提供超快激光源和加工光學元件。然后，我們與集成商合作，他們完成激光材料加工的設備整合。如前所述，分離步驟可通過濕化學蝕刻完成。在這方面，我們也與可靠的合作伙伴合作。我們將在不久的將來提供有關產品開發狀態的信息。
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