超快激光在玻璃加工中的应用

玻璃是一种透明的固体状材料，已广泛用于人们的日常生活中。玻璃的应用范围在不断扩大，特别是与其他材料结合使用时，可以在高科技领域得到更多的应用。玻璃由碳酸钠，石灰石和沙子等常见材料制成。这些材料在高温（约1500°C）下熔化，并且像液体一样，可以倒入，吹塑，压制和模制成各种形状。但是，在室温下，玻璃变成固体，并且由于机械性能的改变，在冷却后变得难以加工。玻璃具有其他材料没有的独特性能。它具有出色的光学性能，可以反射，弯曲，透射和吸收光，并且在整个可见光范围甚至更远范围内具有更高的透明度。就化学性质而言，玻璃是一种惰性的，耐腐蚀的材料，可用作许多化学品的容器。从热和电的角度来看，玻璃是极好的绝缘体。从物理性能的角度来看，玻璃表面坚硬，耐刮擦和耐磨。近年来，玻璃甚至通过各种方法具有弹性。但是，正是这些特性使玻璃加工面临更大的挑战。例如，一旦玻璃具有优异的拉伸强度，它就会变脆。因此，从长远来看，需要考虑处理玻璃的方法及其应用。玻璃制造的历史可以追溯到公元前3500年左右。人造玻璃可能最早出现在美索不达米亚和埃及。它最初用于制造珠宝，然后用于制造花盆。从那时起，从手工加工到当今的高科技工业过程，加工技术一直在不断提高，并且出现了许多玻璃种类和应用。尽管玻璃制造历史悠久，但近几十年来，由于玻璃的易碎特性，玻璃产品的加工已停止。通常，小裂缝会导致玻璃破裂。一旦在玻璃的某处形成了微裂纹，它就会扩散到玻璃的边缘并引起破裂。玻璃的这种易碎性质使其难以加工。另一方面，不断发展的技术使制造具有较小结构和不同形状的玻璃成为可能，从而可用于不同领域。传统方法（例如光刻和电子束光刻）用于处理玻璃，但是这些技术太昂贵且难以操作，特别是对于大面积使用。如今，激光技术提供了加工玻璃的最佳方法。最简单的方法是在波长范围内使用单光子吸收，并且玻璃在红外或紫外线下不是高度透明的。但是，直接吸收会引起一些问题，包括不利的热效应和热影响区的形成，这可能会导致微裂纹并严重危害玻璃的机械稳定性。另外，在玻璃表面以下进行加工以产生三维结构需要使用高度透明的波长。尽管可以使用纳秒脉冲激光在玻璃中制造亚表面结构（参见图1），但玻璃的物理机制会限制微加工的精细度，并且可能会发生微裂纹。图1：使用纳秒激光（左）和近红外（NIR）飞秒激光（右）对玻璃进行激光加工的示例。