當(dāng)前，智能手機(jī)已經(jīng)成為人們生活中的必需品。我們幾乎每分鐘都會(huì)觸摸智能手機(jī)的顯示屏。得益于機(jī)械或化學(xué)性能的穩(wěn)定，讓這些手機(jī)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(jī)的玻璃屏幕在出現(xiàn)缺陷或受到?jīng)_擊時(shí)容易斷裂，這幾乎是每個(gè)智能手機(jī)用戶都可能會(huì)遇到的問題。
具有直面和倒角邊緣的高質(zhì)量激光切割玻璃基材的圖像
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(nèi)部往往會(huì)生成特定的缺陷。
過去的研究發(fā)現(xiàn)，選擇一個(gè)焦點(diǎn)形狀對于單通道的基材修改非常有益。細(xì)長的、無衍射的像貝塞爾高斯光束這樣的焦點(diǎn)分布，能夠產(chǎn)生高質(zhì)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(gè)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(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力。
在通快集團(tuán)技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)理Daniel Flamm與其他人合寫的《保護(hù)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(jìn)的激光加工工藝或是傳統(tǒng)的劃線機(jī)和中斷工藝，切割后的玻璃將呈現(xiàn)出垂直邊緣。正是在這一點(diǎn)上，脆硬材料在微小的角半徑處顯示出主要弱點(diǎn)。如果此處發(fā)生撞擊，應(yīng)力會(huì)以直角累積，材料響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)裂紋或缺口。
實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是大幅降低玻璃邊緣的直角，使基板不易受到?jīng)_擊或產(chǎn)生缺陷。尤其當(dāng)與玻璃表面的切角達(dá)到45°時(shí)，特別需要倒角、斜面或C形。這時(shí)候，激光作為一種成形工具，其焦點(diǎn)分布假設(shè)是采用所需的玻璃邊緣輪廓。對此，論文作者開發(fā)了一種全息分束技術(shù)（holographic beam splitting technology），可以在一個(gè)加工作體積內(nèi)任意排列大量光斑。
可以同時(shí)分布100多個(gè)焦點(diǎn)的邊緣軌跡幾乎沒有限制。可以想象的是，倒角和斜面形狀就像屋頂邊緣、半圓或多臺(tái)階一樣。調(diào)整后的加工光學(xué)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(xué)傾斜，甚至不需要工件翻轉(zhuǎn)。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(tuán)隊(duì)在分離步驟上是通過濕化學(xué)蝕刻實(shí)現(xiàn)的，濕化學(xué)蝕刻已被證明有利于顯示玻璃的邊緣質(zhì)量和強(qiáng)度。在這個(gè)過程中，這類激光改性是彌合玻璃內(nèi)部裂縫的有效辦法。蝕刻溶液可以高效滲透進(jìn)入透明玻璃內(nèi)部，不到一小時(shí)導(dǎo)致基材分離。以這種方式生產(chǎn)的具有定制邊緣的玻璃滿足了廠商的需求，包括粗糙度、機(jī)械穩(wěn)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(jìn)能量沉積技術(shù)，可以基于激光制造倒角的玻璃邊緣。這一創(chuàng)新研究將為其他領(lǐng)域開拓新前景，例如焊接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波導(dǎo)寫入或過孔生成等領(lǐng)域。
與作者對話
Daniel Flamm完成博士學(xué)位后加入了通快集團(tuán)，主要運(yùn)用他所學(xué)的塑造復(fù)雜光態(tài)的知識(shí)進(jìn)行激光材料加工方面的研究。通快開發(fā)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(tài)，以便將它們用于微米和納米級(jí)的精細(xì)加工。
問：是什么激勵(lì)你開始這個(gè)項(xiàng)目？
答：在均勻介質(zhì)中，光通常沿光軸直線傳播。焦點(diǎn)沿著加速軌跡傳播，因此光線可以被引導(dǎo)到拐角處時(shí)，我對這個(gè)很著迷。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了一種可以呈現(xiàn)成品形狀的輕型工具。在本案例中，我所在的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型全息分束工具，可實(shí)現(xiàn)全新的激光材料處理。
開發(fā)的工藝能夠在一次激光過程中創(chuàng)建具有定制形狀的玻璃邊緣。這緩解了傳統(tǒng)切割基材的最大弱點(diǎn)：典型垂直玻璃邊緣的微小角半徑。正是在這里，一旦發(fā)生碰撞就會(huì)容易產(chǎn)生裂紋。激光加工為制造商節(jié)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(tǒng)的耗時(shí)工藝，如機(jī)械研磨和拋光。不僅顯示行業(yè)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程非常有趣，所有的玻璃和光學(xué)產(chǎn)品制造商也會(huì)如此。
掃描電子顯微鏡觀察下的具有不同邊緣輪廓的玻璃基材
問：在研發(fā)過程中，你覺得最具挑戰(zhàn)性或最令人驚訝的是什么？
答：一開始，我們在數(shù)字問題上苦苦掙扎，這意味著設(shè)計(jì)全息圖的計(jì)算工作量。然而，我們已經(jīng)設(shè)法將計(jì)算時(shí)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(shí)現(xiàn)的數(shù)字全息圖，實(shí)際上允許我們在模擬中預(yù)測光的精確相位調(diào)制。令人驚訝的是，我發(fā)現(xiàn)快速激光參數(shù)會(huì)損壞材料，從而讓選擇性時(shí)刻成為分離步驟的明顯選項(xiàng)。
問：你認(rèn)為是什么導(dǎo)致了論文中展示的快速成功？
答：當(dāng)然，這是一個(gè)偉大的團(tuán)隊(duì)努力，不同學(xué)科之間的緊密聯(lián)系。其中我也看到通快的實(shí)力。激光和光學(xué)開發(fā)、材料等不同領(lǐng)域的頂尖專家通力合作，才能取得現(xiàn)在的成果。我要特別提到團(tuán)隊(duì)的材料科學(xué)家Myriam，他指導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)過程，并對合適的激光參數(shù)和相應(yīng)的材料響應(yīng)給出正確的意見。
問：你提到這項(xiàng)技術(shù)會(huì)給顯示玻璃行業(yè)帶來很大的好處，還有其他行業(yè)領(lǐng)域因此而受益嗎？
答：我們確信，激光光學(xué)技術(shù)可以在聚焦單元的工作空間內(nèi)任意分割多個(gè)光點(diǎn)，這將引發(fā)幾個(gè)新的應(yīng)用。當(dāng)然，我們研究的主要重點(diǎn)是處理透明材料。談到這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景，我想像焊接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或鉆孔等領(lǐng)域都會(huì)很有前途。
對于非透明材料，當(dāng)曲面必須進(jìn)行激光紋理處理時(shí)，這種技術(shù)優(yōu)勢也顯現(xiàn)出來了。我們目前正在研究各種其他概念，由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原因，目前無法提及。在材料加工領(lǐng)域之外，我們看到了粒子操縱和顯微鏡的潛力。
問：目前是否有制造商使用了這種方法？
答：還沒有，但已經(jīng)有幾個(gè)潛在客戶對我們的工作感興趣。每個(gè)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(shí)驗(yàn)過程的巨大優(yōu)勢，幾乎可以提供任何形式的服務(wù)。
問：行業(yè)采取這種方法需要什么條件？
答：在微加工業(yè)務(wù)中，通常我們的模式是提供超快激光源和加工光學(xué)元件。然后，我們與集成商合作，他們完成激光材料加工的設(shè)備整合。如前所述，分離步驟可通過濕化學(xué)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(guān)產(chǎn)品開發(fā)狀態(tài)的信息。
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