玻璃加工新纪元：激光技术的革新应用

玻璃材料具有良好的化学稳定性、热力学特性、透光性、耐腐蚀性、隔热性、绝缘性、生物相容性且表面光滑，因而被广泛应用。在日常生活中，玻璃是很受欢迎的一种建筑材料和装饰材料，高楼大厦以及交通工具都常用到。随着现代化生活水平的不断提高，玻璃开始出现在城市滨水区域人文景观中，如用于保证江河航道防洪安全的挡水建筑物（防洪墙）逐渐利用玻璃建造，通透式玻璃防洪墙与航道滨水区域的空间景观相协调，营造出适合城市居民休憩亲水的宜人环境。在工业生产中，接触酸、碱的容器和元件一般也是用能耐大多数无机酸、有机酸等腐蚀的玻璃材料制造的，且表面光滑洁净。在科技领域中，太阳能光伏发电系统的组件光伏玻璃、晶体硅电池的玻璃盖板、电子工业用的玻璃布、集成电路玻璃基底、手机屏玻璃、电视玻璃屏幕等都是玻璃材料的。在普通制造业中，通常也在金属部件上熔覆玻璃材料，以加强机械部件的耐腐蚀性能，延长其使用寿命。

激光加工技术

激光有很高的相干性，利用光学系统可以使激光束会聚成面积很小的光斑，激光的亮度很高，会聚的光斑内光功率密度（或光能量密度）很高，可瞬间加热熔化大多数材料（或使材料汽化），在被照射的材料上留下一个洞，实现打孔加工。如果移动激光束，就可以把材料给切割开来，实现切割加工。如果激光照射斑点落在两块材料的交接处，被熔化的部分冷却后便把这两块材料“焊接”在一起了，实现焊接加工。用激光束替代传统的钻头、刀具、焊枪等，对材料进行打孔、切割、焊接等加工，就是激光加工技术。激光加工的精度很高，如可以打直径小于1微米的孔。只要激光器输出的激光功率稳定，就能加工出尺寸和形状统一的小孔。如在电子工业生产中，激光技术能在多层印刷电路板上加工出成千上万个直径为亚毫米级的小孔。同时，由于光学系统可以控制激光光束朝任意方向摆动，画出各种形状的平面图形或者立体图形，这意味着利用激光束能够很方便地进行各种形状的零件加工，雕刻出各种精美的镂空图案，这是传统加工技术很难做到的。此外，用激光束还可以进行隔空加工，即可以在被密封在其他物体内的材料上加工。

玻璃加工技术

玻璃是脆性材料，采用传统加工技术往往会出现破裂、切口有碎屑、切缝不平直、表面有压溃层等现象。

即使采用激光加工技术，也会遇到因为激光照射部位与非照射部位之间存在较大温差而产生热应力，导致玻璃材料出现裂纹或者断裂等缺陷。研究表明，通过选择合适的激光参数并添加一些辅助工艺，能够避免这些加工缺陷，获得切缝平直、无碎屑、无显微裂纹的玻璃成品。

选择合适的激光参数

激光参数主要包括激光脉冲宽度、激光波长和激光功率。

激光脉冲宽度。加工使用的激光可以是连续波的、长脉冲的，也可以是短脉冲的。连续波激光和长脉冲激光加工是一个复杂的热加工过程，玻璃在激光照射加热下会形成熔融相，产生热应力，易导致玻璃材料碎裂。而短脉冲（特别是飞秒）激光加工时，情况便会不一样，因为这么短的脉冲持续时间比绝大多数物理化学过程的特征时间（如电子弛豫时间及电子-声子弛豫时间等）都要短，这时候激光与物质相互作用的机制将发生改变，打孔、切割等加工将以非加热的形式完成，通常称为“冷加工”，也就避免了由热应力导致玻璃材料出现裂纹、碎裂等问题。

激光波长。玻璃材料对不同波长激光的光学吸收率是不同的，因而采用不同波长的激光加工会得到不同的加工质量。在使用连续波或长脉冲激光时，材料对激光能量的线性光学吸收过程占主导地位，其光学吸收有两种典型形式：一种是表面吸收；另一种是体吸收。其中对于波长在5微米以上的激光，玻璃材料对它的表面吸收率高，如波长为10.6微米的 CO2激光几乎全部在玻璃表面被吸收。因此，在利用 CO2激光切割玻璃时产生的裂纹将从表面开始扩展，往下继续切割时其裂纹不好控制，结果是切口质量较差，同时切割的玻璃厚度也受限制，也不能切割多层玻璃。而对于波长较短的激光，例如波长为1064纳米的YAG激光，玻璃材料对它的体吸收率比较高，用它切割玻璃材料就可以得到较高的切割质量，切口切缝平直、无碎屑、无显微裂纹，而且还可切割多层玻璃、夹层玻璃和玻璃管，一次完成切割，无须二次加工。如果使用的是短脉冲激光，特别是飞秒脉冲激光，此时它与玻璃材料相互作用的非线性光学吸收过程占主导地位，这时候便基本上不会出现前面提到的加工质量问题。

激光功率。研究显示，当加工参数（如激光光斑大小、加工速度等）选定时，会有一个最佳的激光功率，加工时可避免玻璃工件出现裂纹。

辅助工艺

辅助工艺主要有预处理、新工艺等。

预处理。对待加工的玻璃材料做些预处理（如预热、预置光学吸收层等），能够降低出现裂纹等缺陷的概率。给玻璃材料预热可以减少加工时玻璃材料出现的温度梯度和热应力，预热可以使用外加热源，也可以用激光束照射。如可用一束会聚高功率激光束进行加工，用另外一束低功率、非聚焦激光照射进行预热。在利用飞秒激光加工时，因为激光束在极短的作用时间内，产生的热量来不及在材料内堆积，通常不会产生热应力，此时可不采取预热。

另外一个常用预处理方式是在玻璃材料表面预置光学吸收层。在使用连续波激光或者长脉冲激光加工时，可将二氧化铈粉末和水的混合物涂覆在玻璃材料表面，晾干后在其表面形成薄光学吸收层，能够有效地抑制玻璃开裂，并在不影响加工质量的前提下提高加工速度。用这个办法在硼硅玻璃和石英玻璃上可以加工出深径比为12以上的微孔。在两块玻璃交接面涂钛薄膜光学吸收层，做激光焊接的效果也很好，在扫描电镜下未发现可见的损伤。本工艺对使用的光学吸收层材料有两个要求：一是其熔点要高于玻璃材料的熔点，否则将先于玻璃被激光加热蒸发，激光能量将主要消耗在光学吸收材料的蒸发上，而不能传递给被加工的玻璃材料了；二是为了更好地将激光能量耦合至被加工的玻璃材料中，其导热系数要相对较大。

新工艺。通过采用双激光束加工和改变加工方式，也有助于避免加工时遇到的质量问题。

采用双激光束进行加工，其中一束是主光束，执行加工；另外一束是辅助光束，它或者对玻璃材料预热，控制玻璃材料的温度变化速度，减弱产生的热应力强度，或者改变主光束在玻璃材料的光学吸收性能。使用的这两束激光可以是不同种类的，也可以是相同种类的，如使用波长为 780纳米的飞秒激光做主激光束，采用波长为1070纳米长脉冲激光做辅助激光束，它们联合进行加工可以有效地避免单束飞秒激光加工过程通常遇到的加工速度低、易产生损伤的问题，大大提高了加工速度。实践表明，用这个办法可以加工出直径为 10微米、深度达 133微米高宽深比、高质量的微孔，而且加工速度快，打孔速度是只采用单一飞秒激光束时的 5000倍以上。又如采用两束CO2激光切割玻璃材料，先用一束低功率聚焦的CO2激光在玻璃表面划线，而后用非聚焦的CO2激光沿着该划线进行扫描实现玻璃切割，结果显示，相对于采用单束CO2激光切割，切面光洁度大大提高。

传统的激光加工是由上至下进行的，当改变为由下至上的加工方式（即将激光透过玻璃材料聚焦于其下表面，由底部开始往上进行加工）时，激光脉冲宽度区间将不存在死亡谷（从纳秒开始，脉宽愈短，激光对玻璃材料去除率愈低），而且加工质量更好，如加工小孔能够实现零锥度打孔，而且玻璃的崩边尺寸小于 50微米。

应用举例

激光加工玻璃材料技术在玻璃制造领域已经获得成功应用，并取得了较好的效果，下面简要举例说明。

加工液晶显示玻璃基片

液晶显示玻璃基片是一种超薄型特种玻璃片，最薄已经达到 0.4毫米，有些应用于电子产品的玻璃基片厚度甚至只有0.05毫米。它是构成显示面板的关键元件，其质量好坏，直接影响其相关产品（如液晶电视、液晶显示器等）的质量。在显示玻璃基片的生产过程中需要对玻璃片进行切割、倒角和倒边等工序，采用传统加工技术极易出现断裂、边缘碎屑、微裂纹等缺陷，加工质量和成品率都受影响。采用激光加工玻璃材料技术能够避免出现这些问题，切割精度高（小于20 微米）、速度快，切口无毛刺和裂纹，已成为光电显示玻璃基片加工制造广泛应用的技术。

加工石英玻璃微孔

微孔（直径小于300微米）加工是微器件制造中的重要工序，在微流体器件制造、电子封装等领域通常要求加工高深径比、高精度微孔。在精密制造领域，对微孔的尺寸及质量要求很高，使用传统加工技术往往不能满足要求，利用激光加工玻璃材料技术，尤其是采用飞秒激光是最为适合的加工手段，它能够加工出孔径为 72微米、深度为 1824微米、深径比达到 25.3：1的优质微孔。

加工太阳能光伏玻璃小孔

在太阳能光伏制造业上，光伏玻璃是其重要组件，它主要分为面板玻璃和背板玻璃，背板玻璃用玻璃替代传统组件背板材料 PVDF薄膜（可燃），以提高组件防火、防水等级，降低电势诱导衰减，延长组件的使用寿命。背板玻璃制作中最重要的工序是加工小孔，而且常常是异形孔，采用传统加工技术比较难满足要求，利用激光加工玻璃材料技术能获得比较好的加工质量（精度高、稳定性好、孔壁光滑），又能方便地打异形孔，同时加工速度快；此外，加工后无须冲洗、打磨、抛光等二次加工，降低了制造成本。

在金属管道表面制备玻璃涂层

管道是继铁路、公路、海运、航空之后的第五大运输方式，承担着各种能源、热力及物料的输送任务，并以其独特优势得到迅速发展。石油管道在石油工业中占有重要地位，但金属管道容易腐蚀，会造成巨大经济损失甚至灾难性的事故，同时也限制了其在工业中的使用范围。因此需要解决金属管道的防腐蚀问题，在金属材料表面制备玻璃涂层是解决这个问题的重要手段。预置或同步送入待处理的玻璃材料粉末，在高能激光束作用下该玻璃粉末将与基体材料表面同时熔化，形成玻璃熔化物质薄层，基体材料表面因此变得更耐磨、耐腐蚀、耐热、抗氧化。

β光源玻璃管封接

β光源是一种利用β粒子致荧光材料发光的自发光光源，即它是无须外加电源的光源。一些放射性物质（如氚、碳-14、锶钇-90、铯-137等）会发射β粒子，把这种物质与荧光物质放置在玻璃管内即做成β光源。因为这种光源不需要电源，因此应用范围很广，特别是在一些难以铺设电路的地方，如抗灾抢险现场、油田、矿山的安全区标识和照明，水下救援等通常都用到它，往往还是不可替代的光源。制造β光源的关键技术难题是玻璃管的封接，采用传统的火焰热熔封接，在封接过程中的热量难以精确控制，无法保证封口处均匀受热以及玻璃管内部热量的扩散，将会造成玻璃管的密封性不好，影响玻璃管内β粒子发射源材料和发光材料的特性，从而影响β光源的发光效率和使用寿命。而利用激光加工玻璃材料技术能够很好地解决玻璃管封接的技术问题，封口光滑、密封性好，封接过程中管内的材料性能也几乎不受影响。

加工石英摆片

作为惯性导航仪表或遥控遥测仪表的石英挠性加速度计，在航天、航空技术领域占有非常重要的地位。石英摆片作为石英挠性加速度计的核心器件，其平面度、平行度、摆梁共面度、成型尺寸精度以及表面质量等，直接影响加速度计测量的精度和准确性。但是，石英摆片的形状复杂，尺寸又小，厚度仅为0.66～0.76毫米，其中关键部分的悬臂梁结构和三凸台结构厚度只有20微米左右，石英摆片“C”槽部分的缝宽也只有0.3±0.1毫米。传统加工技术往往达不到这个技术要求，激光加工玻璃材料技术却能够加工出优质的石英摆片，保证石英挠性加速度计的高精度。

加工玻璃表面微结构

激光加工玻璃材料技术还能够在玻璃材料表面制造精细的微结构（如微小凸起或下凹结构等），而且加工速度快。如在太阳能设备盖板玻璃表面制作微结构，就能减少盖板玻璃对太阳光的反射损失，提高太阳能电池的光电转换效率；在玻璃光学元件表面制作微结构，可提高光学元件成像的均匀性和清晰度，大大提升仪器的成像质量；在玻璃表面加工微通道，可以实现微流体的注入及流动，这在分析化学、环境监测、生物和医学等领域有重要应用价值，如可将这些微通道模拟成生物的毛细血管，模拟血管内血液或药物流动，助力科学研究。

结 语

虽然玻璃有很多优点，但其脆性特征使得对它的精密加工难度很大。利用近年发展起来的激光加工技术，通过调整激光的波长、功率和脉冲宽度，并添加预热、预应力等手段，可在玻璃材料加工过程中避免出现微裂纹、碎裂等现象，获得精度高、质量好的玻璃构件成品，在现代微电子制造业、太阳能设备制造业、显示制造业、航空航天制造业等领域应用越来越广泛。

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关键词：玻璃材料 激光加工 激光参数 辅助工艺 ■