蓝宝石生长和激光切割工艺简介

蓝宝石的莫氏硬度为9，高于沙子。如果您将蓝宝石用作屏幕，则手机不会被沙刮伤。华为推出了蓝宝石屏幕手机AscendP7，售价4688元。玻璃屏P7仅售1788元。尽管蓝宝石屏幕不需要薄膜，但价格比玻璃屏幕高得多。这是什么原因呢？用蓝宝石等高温熔融法制备了古代玻璃之后，需要对其进行抛光以获得镜面效果，因此玻璃也非常昂贵。但是，1959年，英国的皮尔金顿发明了浮法。包含SiO 2作为主要成分的玻璃溶液均匀地漂浮在低熔点金属Sn的表面上。浮法避免了打磨和抛光，降低了玻璃的生产成本，并使平板玻璃窗和玻璃镜的大规模生产进入了千百万家庭。那么，通过玻璃制备工艺可以廉价地生产蓝宝石吗？答案是不。因为SiO2可以用作非晶网络的生成者，所以蓝宝石成分Al2O3只能用作非晶网络的中间体，不能单独形成非晶态。尽管蓝宝石价格昂贵，但比两个世纪前便宜很多。蓝宝石最初起源于天然矿石。法国人Verneuil于1892年发明了火焰法，该方法实现了蓝宝石的人工合成，使蓝宝石广泛用于手表，宝石和刀具。 Al 2 O 3粉末通过高温氢氧火焰熔化，然后冷却。 Al离子和O离子在库仑力的作用下规则排列成单晶。尽管火焰法快速且成本低，但是温度梯度高，导致蓝宝石中的残余应力大。为了降低温度梯度，近年来，GTAT开发了一种用于生长蓝宝石梨晶体的热交换方法。将梨晶体拉出并抛光后，将其激光切割到相机盖和“主页”按钮中。在外力作用下，蓝宝石会带正电的Al原子移动，而带负电的O原子也会随之移动。金属不同于蓝宝石。带正电的金属原子在外力作用下移动。因为原子质量比电子大得多，所以O原子的加速度和速度比电子小得多，并且蓝宝石不能像金属一样发生塑性变形。以蓝宝石和SiO2为主要成分的玻璃易碎，适用于超短脉冲激光加工。激光脉冲宽度短，晶格太迟而无法响应。激光将所有能量传递给电子，然后高温电子在温度梯度的作用下将热量单向传递给低温晶格。晶格加热时间短，因此材料温度低且热应力小。蓝宝石激光切割的关键是控制激光传输。当单脉冲能量从30μJ增加到150μJ时，处理长度从98μm增加到240μm。当单脉冲能量从150μJ增加到210μJ时，处理长度几乎保持不变。用单脉冲能量为210μJ的超短脉冲激光照射蓝宝石后，处理长度为242μm。从图1（a）可以清楚地看到，处理长度随单脉冲能量的增加而增加，但是，当单脉冲能量超过150μJ后，处理长度达到饱和。图1.蓝宝石在不同单脉冲能量下的加工形态和光强度分布的模拟饱和现象是由散射引起的。如图中的模拟光强度所示。在图1（b）-（d）中，空气和蓝宝石之间的界面处的散射面积随单个脉冲能量的增加而增加。当单个脉冲的能量从30μJ增加到150μJ时，激光强度会增加。当单脉冲能量从150μJ增加到210μJ时，光强度几乎不变，如图1（c）和1（d）所示。尽管增加了单个脉冲的能量，但是蓝宝石中激光的传播受到散射效应的限制。为了处理厚度超过饱和度的蓝宝石下一步，我们使用“隐藏切割”处理方法将焦点逐渐从物镜的下表面移到更靠近物镜的上表面。如图1所示。如图2所示，在三个焦点位置处照射激光之后，切割出500μm厚的蓝宝石。结合散射和非线性透射模型，计算出的光强度分布与实际的加工形态一致。图2.“隐藏切割”过程中积累的光强度分布。由Delong Laser独立研发的皮秒激光应力诱导加工设备用于切割蓝宝石和玻璃材料，并获得了“ OFweek 2016激光行业应用案例奖”。图3.皮秒激光应力感应处理设备