激光加工透明晶体与玻璃的研究进展

韩军

（旭飞光电科技有限公司，河南 郑州 450000）

激光加工技术是利用激光高能量的特性，通过光子与材料的相互作用，以实现材料改性、去除等性能要求。自20世纪70年代大功率激光器件出现，激光加工技术形成了激光切割、激光打孔、激光标记、激光刻槽等多种应用工艺，在电子、材料、机械、艺术设计等得到广泛的应用。目前，透明晶体材料，诸如石英晶体、光学晶体、功能性晶体及相应非晶态物质如石英玻璃、光学玻璃等难加工材料，由于其脆硬性的特点，采用常规机械加工或化学加工工艺对其进行切割、打孔等，易产生裂纹破损，加工效率低。

一、激光加工原理及特点

（一）激光产生的原理

众所周知，原子内部的电子可以通过与外界交换能量而从一种运动状态改变为另一种运动状态。对于每一种状态，原子具有确定的内部能量值，每个内部能量值称为一个能级，原子的内部能量不是连续变化的，分为不同的高低能级。一般处于高能级的原子很不稳定，它总是力图回到较低的能级去，原子向低能级运动过程称为“跃迁”。而某些具有亚稳态能级（即具有处于高低能级之间的“亚稳态级”）结构的物质，在一定外来光子能量的激发下，大量粒子从低能级被激励到高能级上去，这样产生了受激辐射跃迁的光，用“激光谐振腔”把受激辐射放大，使之成为可以使用的激光。

（二）激光加工的本质

激光加工不是象一般的机械加工一样，是“机械能”的体现，而是“热能”的作用。激光由于强度高，方向性好，颜色单纯，可以通过一系列的光学系统，象凸透镜等，把激光束聚焦成一个极小的光斑。光斑直径仅有几微米到几十微米，获得108-1010 W/cm2的能量密度以及10000℃以上的高温，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使各种物质熔化和气化，以达到蚀除被加工工件的目的。

二、透明晶体与玻璃最新激光加工技术研究进展

（一）多脉宽组合的激光加工技术

当前激光微加工工艺普遍采用单一脉宽形式进行加工。其中，纳秒脉宽激光加工效率高，却存在能量导入过大，易引起材料内部开裂；皮秒与飞秒激光加工瞬态导入能量小，但其加工效率低下，对于较大的结构，难以进行高效率加工。特别是对于损伤阈值较高或抗拉强度较小的晶体材料，单脉宽加工难以同时进行较小的加工能量导入并实现较高的加工效率。研究人员对探测用硅酸钇镥晶体的加工中，首先提出了一种使用双脉宽组合激光微加工的方法。该方法在加工系统光路中，各安装了一套皮秒激光器与纳秒激光器，激光器的光束通过反射镜组与聚焦镜投射于晶体内。由于皮秒激光器的瞬态功率高，作用时间短，故在皮秒脉冲聚焦于材料后，被聚焦点的材料迅速电离为等离子体并带走大量能量，在材料内部照射点上形成众多微小的缺陷结构。随后，在纳秒激光聚焦时，材料通过缺陷吸收效应对激光能量进行吸收，大幅提高纳秒激光的吸收率。该方法可以在材料总吸收能量小于材料破坏阈值的情况下完成加工，从而大大降低因材料能量吸收过高造成的热开裂等问题。

（二）超短脉冲激光微结构加工技术

近年来，飞秒激光器得到快速发展。飞秒激光器是一种高性能固体脉冲激光器，其核心组件为飞秒激光震荡器，该振荡器利用钛宝石的增益特性产生飞秒级的超短脉冲，并通过自锁模技术使激光脉宽得到进一步的压缩，从而获取脉宽为10-14s的超短脉冲。由于脉宽的缩短，飞秒激光的峰值功率可达PW级别。由于飞秒激光器脉宽极小，故其与物质相互作用时间远小于电子－晶格和晶格－晶格弛豫时间。在作用时，被照射物质能够在能量扩散前因温度的急剧升高而发生气化，同时带走大部分热量，从而使得热扩散的影响较小，防止因加工边界产生熔化导致的毛边与边界不清晰等现象。因此，飞秒激光对透明晶体与玻璃等高硬度脆性材料的微结构具有较好的加工特性。

总结：现阶段，激光加工技术在透明晶体与玻璃中的工艺研究主要涉及激光切割、激光微孔及激光内部微加工等，改善了脆硬性透明材料采用常规机械切割、打孔加工等难以完成的加工要求。为进一步提高该类材料的工艺性能，当前透明晶体与玻璃的加工工艺研究主要设计基于激光加工工艺参数，提出不同的理论模型以期优化相应工艺参数。目前，在透明晶体与玻璃加工用激光源研究中，各激光器均有利弊。国内外学者深入对激光微加工在透明材料中的应用展开研究，其研究难点在于提升加工效率的同时提高加工精度以及降低加工热影响区等。其中，飞秒激光时空同步聚焦加工技术是目前研究的发展趋势。因此，探索高品质的激光微加工技术仍是该领域发展的重点。