激光加工透明晶體與玻璃的研究進展

韓軍

（旭飛光電科技有限公司，河南 鄭州 450000）

激光加工技術是利用激光高能量的特性，通過光子與材料的相互作用，以實現(xiàn)材料改性、去除等性能要求。自20世紀70年代大功率激光器件出現(xiàn)，激光加工技術形成了激光切割、激光打孔、激光標記、激光刻槽等多種應用工藝，在電子、材料、機械、藝術設計等得到廣泛的應用。目前，透明晶體材料，諸如石英晶體、光學晶體、功能性晶體及相應非晶態(tài)物質如石英玻璃、光學玻璃等難加工材料，由于其脆硬性的特點，采用常規(guī)機械加工或化學加工工藝對其進行切割、打孔等，易產生裂紋破損，加工效率低。

一、激光加工原理及特點

（一）激光產生的原理

眾所周知，原子內部的電子可以通過與外界交換能量而從一種運動狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N運動狀態(tài)。對于每一種狀態(tài)，原子具有確定的內部能量值，每個內部能量值稱為一個能級，原子的內部能量不是連續(xù)變化的，分為不同的高低能級。一般處于高能級的原子很不穩(wěn)定，它總是力圖回到較低的能級去，原子向低能級運動過程稱為“躍遷”。而某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級（即具有處于高低能級之間的“亞穩(wěn)態(tài)級”）結構的物質，在一定外來光子能量的激發(fā)下，大量粒子從低能級被激勵到高能級上去，這樣產生了受激輻射躍遷的光，用“激光諧振腔”把受激輻射放大，使之成為可以使用的激光。

（二）激光加工的本質

激光加工不是象一般的機械加工一樣，是“機械能”的體現(xiàn)，而是“熱能”的作用。激光由于強度高，方向性好，顏色單純，可以通過一系列的光學系統(tǒng)，象凸透鏡等，把激光束聚焦成一個極小的光斑。光斑直徑僅有幾微米到幾十微米，獲得108-1010 W/cm2的能量密度以及10000℃以上的高溫，從而能在千分之幾秒甚至更短的時間內使各種物質熔化和氣化，以達到蝕除被加工工件的目的。

二、透明晶體與玻璃最新激光加工技術研究進展

（一）多脈寬組合的激光加工技術

當前激光微加工工藝普遍采用單一脈寬形式進行加工。其中，納秒脈寬激光加工效率高，卻存在能量導入過大，易引起材料內部開裂；皮秒與飛秒激光加工瞬態(tài)導入能量小，但其加工效率低下，對于較大的結構，難以進行高效率加工。特別是對于損傷閾值較高或抗拉強度較小的晶體材料，單脈寬加工難以同時進行較小的加工能量導入并實現(xiàn)較高的加工效率。研究人員對探測用硅酸釔镥晶體的加工中，首先提出了一種使用雙脈寬組合激光微加工的方法。該方法在加工系統(tǒng)光路中，各安裝了一套皮秒激光器與納秒激光器，激光器的光束通過反射鏡組與聚焦鏡投射于晶體內。由于皮秒激光器的瞬態(tài)功率高，作用時間短，故在皮秒脈沖聚焦于材料后，被聚焦點的材料迅速電離為等離子體并帶走大量能量，在材料內部照射點上形成眾多微小的缺陷結構。隨后，在納秒激光聚焦時，材料通過缺陷吸收效應對激光能量進行吸收，大幅提高納秒激光的吸收率。該方法可以在材料總吸收能量小于材料破壞閾值的情況下完成加工，從而大大降低因材料能量吸收過高造成的熱開裂等問題。

（二）超短脈沖激光微結構加工技術

近年來，飛秒激光器得到快速發(fā)展。飛秒激光器是一種高性能固體脈沖激光器，其核心組件為飛秒激光震蕩器，該振蕩器利用鈦寶石的增益特性產生飛秒級的超短脈沖，并通過自鎖模技術使激光脈寬得到進一步的壓縮，從而獲取脈寬為10-14s的超短脈沖。由于脈寬的縮短，飛秒激光的峰值功率可達PW級別。由于飛秒激光器脈寬極小，故其與物質相互作用時間遠小于電子－晶格和晶格－晶格弛豫時間。在作用時，被照射物質能夠在能量擴散前因溫度的急劇升高而發(fā)生氣化，同時帶走大部分熱量，從而使得熱擴散的影響較小，防止因加工邊界產生熔化導致的毛邊與邊界不清晰等現(xiàn)象。因此，飛秒激光對透明晶體與玻璃等高硬度脆性材料的微結構具有較好的加工特性。

總結：現(xiàn)階段，激光加工技術在透明晶體與玻璃中的工藝研究主要涉及激光切割、激光微孔及激光內部微加工等，改善了脆硬性透明材料采用常規(guī)機械切割、打孔加工等難以完成的加工要求。為進一步提高該類材料的工藝性能，當前透明晶體與玻璃的加工工藝研究主要設計基于激光加工工藝參數(shù)，提出不同的理論模型以期優(yōu)化相應工藝參數(shù)。目前，在透明晶體與玻璃加工用激光源研究中，各激光器均有利弊。國內外學者深入對激光微加工在透明材料中的應用展開研究，其研究難點在于提升加工效率的同時提高加工精度以及降低加工熱影響區(qū)等。其中，飛秒激光時空同步聚焦加工技術是目前研究的發(fā)展趨勢。因此，探索高品質的激光微加工技術仍是該領域發(fā)展的重點。