皮秒貝塞爾光束切割化學強化玻璃 | 中國雷射

2021-02-24 愛光學

封面文章|楊澤齊,段軍,陳航,劉朋, 陳 喬丹,徐新科. 皮秒貝塞爾光束切割化學強化玻璃[J]. 中國雷射, 2019, 46(11): 1102010

化學強化玻璃是通過離子交換工藝，將玻璃表面體積較小的鈉離子置換為體積較大的鉀離子，在玻璃表面形成深度為幾十微米的壓應力層的一種特殊玻璃。相對於普通玻璃，化學強化玻璃具有更高的機械強度和熱穩定性，被廣泛應用於手機、平板電腦等電子設備的顯示屏。因為這層表面壓應力，傳統的機械切割或水射流切割加工強化玻璃時，極易引起強化玻璃崩邊爆裂。在生產過程中，切割分離加工必須在化學強化步驟之前完成，這導致加工過程繁瑣而且效率較低，靈活性極差。華中科技大學段軍教授課題組利用皮秒雷射的高峰值功率和超短脈衝以及貝塞爾光束長焦深的特點，通過控制單脈衝能量和脈衝改性間距，實現了化學強化玻璃的自動斷裂分離，提升了化學強化玻璃切割的速度與質量。

在高功率密度的皮秒貝塞爾光束的作用下，每個脈衝都會在強化玻璃內加工出一條半徑約1 μm，覆蓋整個厚度的柱狀改性微通道，導致強化玻璃上下表面壓應力失去靜態平衡。由於強化玻璃表面產生了損傷，損傷點受到周圍強烈的壓應力作用而產生形變，誘導損傷點之間的區域誘導產生拉應力。一旦誘導拉應力超過玻璃的抗拉強度，玻璃上下表面會產生斷裂裂紋。而玻璃內部本身就存在一定的拉應力，因此裂紋迅速沿表面向中心擴展，形成穿透裂紋，從而使強化玻璃精確地沿著雷射掃描的軌跡自動斷開分離。

圖2 化學強化玻璃的切割原理。（a）化學強化玻璃的應力分布；（b）貝塞爾光束在玻璃內產生一個改性面影響切割速度和質量的主要參數是單脈衝能量和脈衝改性間距。以化學強化玻璃可以自動斷開為前提，在單脈衝能量為150 μJ，改性間距為5 μm的實驗條件下，0.7 mm厚的化學強化玻璃的切割面的質量最佳，粗糙度的算術平均值為395 nm。雷射頻率設為80 kHz，相應的切割速度可達到400 mm/s。

圖3 切面平均粗糙度隨脈衝能量和脈衝改性間距的變化規律
利用皮秒雷射貝塞爾光束實現化學強化玻璃自動斷開分離，不但能有效提升化學強化玻璃切割的速度與質量，並且可進行任意的曲線圖形切割分離，具有較高的實際應用價值。

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