光学百科之激光切玻璃 003
Image credit: CORNING Gorilla
阅读难度:★★★
Think differently about glass.
最早的玻璃切割方式是在中世纪,人们用尖的热铁杆在玻璃上沿形状划槽,然后在槽上浇上冷水让玻璃裂开。这样切割的玻璃往往不光滑,因此人们还需要使用一个叫做grozing iron(熨烫铁)的东西来处理切口。
Image Credit: Katie Harrison
后来人们发明了带钻石头的玻璃刀,从而让切玻璃更容易。使用钻石头玻璃刀遵循两个步骤,先划槽,再折断。这个方法的好处是方便,但是也有很多小问题。比如划槽和折断时会产生很多玻璃碎片,也会留下一些伸入到玻璃内部的裂痕,另外折断后的切割面也不一定刚好和玻璃表面呈90度。虽然使用钻石头的机械方法有很多缺点,但是在工业上,仍然广泛的在玻璃切割上应用,仅限于那些精度和质量要求不那么高的切割上。
Image Credit: Christoph Hermanns
机械切割有两个致命缺点,一是切割边缘的强度,二是切割时留下的小裂痕。这两个缺点,都可能导致玻璃因为应力而沿着强度低的地方,或者小裂痕的地方而整个裂开。
于是工业界在2000年引入了CO2激光用来切割玻璃,原理其实很类似中世纪热铁杆+浇冷水的方法。
利用大功率的激光来加热需要切割的地方,然后紧跟着用一个气体或水的冷却喷嘴进行冷却,因为冷却凝结的玻璃对周围产生张力,从而使得玻璃沿着切割面裂开。激光工艺切割的玻璃不需要后续的研磨或抛光,没有裂痕,也不会有玻璃碎片产生。是非常合适的切割方式。
Image Credit: Christoph Hermanns
从上图右边,我们可以看到激光切割后的切面十分平整,不像机械切割(上图左)的有那么多裂纹。
CO2激光切割现在仍然是玻璃切割中的主力,但是最近超快激光渐渐被工业界所接受,特别是在硬玻璃上(蓝宝石、大猩猩玻璃)。这一方面,Peter Herman教授的组走在比较前面,感兴趣的可以看下他们组的专利(Method of material processing by laser filamentation)。主要原理就是激光拉丝现象(filamentation)。
上图是比较传统的激光切割和利用超快激光成丝的区别,出处已经标了我就不再写了。这个图还是很容易引起歧义的,之所以传统的激光切割会产生各种飞溅的小残渣并引起一些小的裂缝,而激光成丝只产生一些雾化残渣的根本原因是使用激光的脉宽,而不是两个技术本身。长脉宽的激光会产生很强的热效应,从而导致热在玻璃中传导,且因为玻璃从固态到液态(或软化)而产生大量的应力。短脉宽的皮秒或飞秒激光,会在热效应产生前就完成能量的传递(大部分传递到电子,少部分到晶格),玻璃也会直接从固态到气态,从而对切割面的影响最小。
激光成丝是超快激光和玻璃作用时产生的非线性自聚焦现象的结果。我先解释下什么是自聚焦。
当光照射到非线性材料中,材料的折射率因为电场的原因而增长的现象叫做克尔效应(Kerr effect)。它遵循一个很简单的方程:
n=n0+n2I
其中,n0是材料本身的折射率,n2是材料的二阶非线性折射率,I是光场强度。增加的折射率delta n= n2I。
我们可以看到,材料的折射率n是和光强I呈一个线性关系的。如下图左,当光束的前几个脉冲作用在材料时,从而会改变这一块材料的折射率,光斑的强度分部大多是高斯分布的,根据公式中的线性关系,增加的折射率值(delta n)也会成一个高斯分布。
【1】
这块区域折射率增加的数值呈高斯分布(上图左1)相当于一个正透镜(上图左2),从而将后续的激光脉冲聚焦到克尔效应作用的区域前。这个效应就叫做自聚焦,因为重复聚焦,焦点的能量也会越来越高。自聚焦一般在使用高NA的物镜在非线性材料内部加工时出现,在材料表面是不会出现这个现象的。
自聚焦并不是一个好的现象,它会导致焦点的移动,所以通常在做激光加工前可以通过计算临界峰值,来确保自聚焦效应的最小化。
如果激光功率超过了临界峰值,随着焦点处能量的堆积,材料也会被高度电离,电离后产生电子气体相当于一个负折射率的透镜(上图右1),从而将激光发散(上图右2)。
这样一个自聚焦 --- 电离散焦 --- 自聚焦 --- 电离散焦的过程可以前后反复出现,从而在材料中形成激光成丝的独特现象。
【2】
激光成丝切割玻璃的好处在于,它变相的增加了激光的加工深度,可以最长切割3mm厚的玻璃,而且不会产生任何表面划痕或掉落的残渣,但缺点就是拉丝切割出的平面不会那么规整(下面的比较图中,Filamentation的模拟图)。
最后,另外再介绍一个方法,就是使用Bessel光束。Bessel光束在聚焦后可以产生非常长的Rayleigh length,从而非常适合玻璃的切割。下图对Bessel光束(d)和激光成丝(d)做了比较,我们可以发现, Bessel的切割质量是最好的。但是使用Bessel光束有个最大问题就是能量的损耗,Bessel光束聚焦后除了主光斑以外,还有很多个水平方向的副光斑,导致它的能量利用率不高。
【3】
切割玻璃,是现在工业界急需解决的问题,特别是新一代的高硬度玻璃,而现有的技术,无论是CO2切割,还是激光成丝,还是Bessel光束切割都或多或少有着各自的问题。有条件的朋友,可以想想新方法,说不定就走向人生巅峰了呢。
【1】“Self-focusing and Filamentation of Femtosecond Pulses in Air and Condensed Matter: Simulations and Experiments”
【2】from the December 2002 issue of the European Physical Journal — Applied Physics.
【3】 Dave Ross Blog